Le « voyage dans le temps » deviendra-t-il réalité ? Les scientifiques créent le premier « trou de ver » et apparaissent en couverture de Nature

En tant que personnes vivant dans un monde tridimensionnel, nous semblons tous avoir réfléchi à une question : le voyage dans le temps est-il possible ?

En 1916, le physicien autrichien Ludwig Flamm a proposé pour la première fois le concept de « trou de ver ». Dans les années 1930, Einstein et Nathan Rosen ont émis l'hypothèse que les trous noirs et les trous blancs traversaient lors de l'étude des équations du champ gravitationnel, donc « trou de ver ». " est également appelé "Pont Einstein-Rosen". Les « trous de ver » sont considérés comme des « raccourcis » possibles dans l’univers, par lesquels les objets peuvent transférer le temps et l’espace en un instant. Cependant, les scientifiques n’ont pas pu confirmer l’existence objective des trous de ver.

Maintenant, les scientifiques ont créé le tout premier trou de ver, et le document de recherche fait la couverture du magazine Nature.

Adresse papier : https://www.nature.com/articles/s41586-022-05424-3

Un trou de ver est comme un hologramme, fait d'éléments stockés dans un minuscule circuit supraconducteur Il s’agit de bits d’information quantiques, ou « qubits ». La recherche a réussi à envoyer des informations via un trou de ver en manipulant des qubits.

Cette recherche a été dirigée par Maria Spiropulu, professeur de physique au California Institute of Technology. L’équipe de recherche a utilisé l’ordinateur quantique Sycamore de Google pour mettre en œuvre un nouveau « protocole de téléportation par trou de ver ».

Maria Spiropulu, physicienne de Caltech. Source : Magazine Quantique.

Le principe holographique est un principe de base basé sur les propriétés quantiques des trous noirs, impliquant la physique fondamentale, la mécanique quantique et la relativité générale. Les physiciens tentent de concilier ces théories disparates depuis les années 1930. Depuis les années 1990, le principe holographique propose une équivalence mathématique ou une « dualité » entre les deux cadres. Le principe holographique soutient que le continuum espace-temps courbe décrit par la relativité générale est en réalité un système quantique de particules déguisées. L'espace-temps et la gravité résultent d'effets quantiques, tout comme les hologrammes 3D sont projetés à partir de motifs 2D.

Et cette nouvelle expérience de Spiropulu et al. confirme que nous pouvons contrôler les effets quantiques dans les ordinateurs quantiques et produire le phénomène que nous nous attendons à voir dans la théorie de la relativité : les trous de ver.

Pour être clair, contrairement aux hologrammes ordinaires, les trous de ver ne sont pas quelque chose que nous pouvons voir. Daniel Jafferis, principal développeur des trous de ver et co-auteur de l'Université Harvard, estime que même si nos résultats de recherche peuvent être considérés comme un protocole de transmission à « filaments spatio-temporels réels », ils ne font pas partie du même monde réel que nous et le monde. L'ordinateur Sycomore habite. Le principe holographique suggère que ces deux réalités – celle avec des trous de ver et celle avec des qubits – sont des versions différentes de la même physique, mais la manière de conceptualiser cette dualité reste un mystère.

La communauté scientifique peut avoir des opinions diverses sur la signification fondamentale des résultats de la recherche. Mais surtout, le trou de ver holographique de l’expérience consiste en un espace-temps différent de celui de notre propre univers. La question de savoir si cette expérience est une preuve supplémentaire que l’espace-temps que nous habitons est également holographique est discutable.

Jafferis a déclaré : "Je pense que la gravité dans l'univers est effectivement générée à partir de certains qubits, tout comme ce trou de ver unidimensionnel est généré à partir de la puce Sycamore. Mais nous n'en sommes pas encore complètement sûrs, nous sommes toujours en train d'explorer durement. "

Contexte

La correspondance AdS/CFT a été découverte à la fin d'une série d'explorations induites par des questions. Quelle est la quantité maximale d’informations pouvant être hébergée dans une seule zone d’espace ? Si quelqu'un demandait à un ingénieur quelle quantité d'informations un centre de données peut stocker, la réponse serait probablement « cela dépend du nombre et du type de puces mémoire qu'il contient ». Mais étonnamment, ce qui se trouve à l’intérieur du centre de données n’est finalement pas si important. Si nous encombrons de plus en plus de puces mémoire et d’électronique de plus en plus denses dans un centre de données, celui-ci finira par s’effondrer dans un trou noir qui disparaîtra derrière l’horizon des événements.

Lorsque des physiciens tels que Jacob Bekenstein et Stephen Hawking ont essayé de calculer le contenu informationnel d'un trou noir, ils ont été surpris de constater qu'il était donné par la surface de l'horizon des événements, et non par le volume du trou noir. Il semble que les informations contenues dans le trou noir soient inscrites sur l’horizon des événements. Plus précisément, l'horizon des événements d'un trou noir peut être disposé avec une aire de A unités minuscules (chaque unité est appelée « aire de Planck », qui mesure 2,6121 × 10 ^ -70 mètres carrés), avec jusqu'à A/ Informations 4 bits. Cette limite est appelée « limite Bekenstein-Hawking ».

Cette découverte montre que la quantité maximale d'informations qu'une région peut contenir n'est pas nécessairement proportionnelle à son volume, mais à la surface de la limite de la région, ce qui implique que l'information quantique est liée aux trois- espace dimensionnel dans notre expérience quotidienne Une relation intéressante entre les mondes. Cette relation a été résumée par l'expression « Cela vient du qubit », décrivant comment la matière (elle) émerge de l'information quantique (qubits).

Bien que formaliser cette relation soit difficile pour l'espace-temps ordinaire, une étude récente a fait des progrès significatifs sur un univers hypothétique à géométrie hyperbolique, connu sous le nom d'« espace anti-de Sitter » (espace anti-de Sitter), où la théorie de la gravité quantique se construit plus naturellement.

Dans l'espace anti-de Sitter, la description du volume gravitationnel de l'espace peut être considérée comme étant codée sur la frontière entourant le volume : chaque objet dans l'espace a une description correspondante sur la frontière, vice versa. Cette correspondance d'informations est appelée « principe holographique », principe général inspiré des observations de Bekenstein et Hawking.

La correspondance AdS/CFT permet aux physiciens de connecter des objets dans l'espace à des collections spécifiques de qubits en interaction sur leurs surfaces. Autrement dit, chaque région de la frontière code (en information quantique) le contenu d'une certaine région de l'espace-temps, de telle sorte que la matière, à n'importe quel endroit donné, puisse être « construite » à partir d'informations quantiques. Cela permet aux processeurs quantiques de travailler directement avec les qubits tout en fournissant des informations sur la physique de l’espace et du temps. En définissant soigneusement les paramètres d'un ordinateur quantique pour simuler un modèle donné, nous pouvons étudier les trous noirs, ou même aller plus loin, pour étudier deux trous noirs interconnectés – une configuration connue sous le nom de « trou de ver » ou « pont Einstein-Rosen ». ".

La gravité quantique en laboratoire

Les chercheurs de Google prévoient de mettre en œuvre ces idées sur le processeur Sycamore et ont construit un système quantique équivalent à un trou de ver traversable. Utilisant des principes holographiques pour traduire le langage de l’information quantique en physique de l’espace et du temps, l’expérience laisse une particule tomber d’un côté d’un trou de ver et la regarder émerger de l’autre côté.

Dans des recherches récentes, Daniel Jafferis, Ping Gao et Aron Wall ont démontré la possibilité de trous de ver traversables. Les trous de ver font depuis longtemps l'objet de science-fiction, mais un trou de ver construit « à partir de l'imagination » s'effondrerait sur les particules qui le traverseraient.

Les chercheurs ont montré que les ondes de choc à énergie négative, c'est-à-dire la déformation de l'espace-temps se propageant à la vitesse de la lumière, peuvent résoudre ce problème en ouvrant le trou de ver suffisamment longtemps pour qu'il puisse le traverser. La présence d'énergie négative dans les trous de ver traversables est similaire à l'énergie négative de l'effet Casimir, où l'énergie du vide rapproche des plaques rapprochées. Dans les deux cas, la mécanique quantique permet à la densité d’énergie en un endroit particulier de l’espace d’être positive ou négative. D’un autre côté, si le trou de ver subit une onde de choc d’énergie positive, aucune information ne passera.

L'application la plus simple de l'utilisation des principes holographiques pour créer un trou de ver nécessite de très nombreux qubits - en fait, pour se rapprocher de la solution crayon et papier donnée par les physiciens théoriciens, il faudrait de très nombreux bits de qubits. À mesure que le nombre de qubits diminuait, des corrections supplémentaires, encore inconnues aujourd’hui, ont été nécessaires. Construire un trou de ver traversable sur un nombre limité d’ordinateurs quantiques nécessite de nouvelles idées.

L'un des chercheurs, Zlokapa, a utilisé des idées d'apprentissage profond pour concevoir un petit système quantique qui conserve des aspects clés de la physique gravitationnelle. Les réseaux de neurones sont entraînés par rétropropagation, une méthode qui optimise les paramètres en calculant directement les gradients de chaque couche du réseau. Afin d'améliorer les performances des réseaux de neurones et d'éviter qu'ils ne surajustent l'ensemble de données d'entraînement, les chercheurs en apprentissage automatique utilisent un grand nombre de techniques, telles que la sparsification, qui tente de limiter les détails des informations dans le réseau en définissant autant de poids que possible. à zéro.

Alex Zlokapa est un étudiant diplômé du MIT qui a rejoint le Wormhole Project en tant qu'étudiant de premier cycle. Dans ses recherches, il a trouvé un moyen de simplifier suffisamment le protocole de trou de ver pour qu'il puisse fonctionner sur l'ordinateur quantique de Google. Source : Magazine Quantique.

De même, pour créer un trou de ver, les chercheurs partent d'un grand système quantique et le traitent comme un réseau neuronal. La rétropropagation met à jour les paramètres du système pour maintenir les propriétés gravitationnelles, tandis que la sparsification réduit la taille du système. Ils ont appliqué l’apprentissage automatique pour apprendre un système qui ne conservait qu’une seule caractéristique gravitationnelle clé : l’importance d’utiliser des ondes de choc à énergie négative. L'ensemble de données d'entraînement compare la dynamique des particules voyageant à travers un trou de ver maintenu ouvert avec de l'énergie négative et un trou de ver effondré avec de l'énergie positive. En s’assurant que le système appris conservait cette asymétrie, ils ont obtenu un modèle clairsemé cohérent avec la dynamique des trous de ver.

Les chercheurs ont effectué de nombreux tests sur le nouveau système quantique pour déterminer s'il présentait un comportement gravitationnel au-delà des caractéristiques provoquées par des ondes de choc de différentes énergies. Par exemple, même si les effets de la mécanique quantique peuvent transmettre des informations de diverses manières dans les systèmes quantiques, les informations voyageant dans l’espace et le temps, y compris à travers des trous de ver, doivent être causalement cohérentes. Ceci et d’autres caractéristiques ont été vérifiées sur un ordinateur classique, confirmant que la dynamique du système quantique est cohérente avec une explication de la gravité à travers le lexique des principes holographiques.

Implémenter un trou de ver traversable en tant qu'expérience sur un processeur quantique est un processus extrêmement délicat. Les mécanismes microscopiques de transfert d’informations entre qubits sont très chaotiques : imaginez une goutte d’encre tourbillonnant dans l’eau. Lorsqu’une particule tombe dans un trou de ver, ses informations sont diffusées dans tout le système quantique de l’hologramme. Pour qu’une onde de choc d’énergie négative fonctionne, la perturbation de l’information doit suivre un modèle spécial connu sous le nom d’« enroulement de taille parfaite ».

Après qu'une particule heurte une onde de choc d'énergie négative, le schéma chaotique fonctionne effectivement à l'envers : lorsque la particule émerge du trou de ver, c'est comme si la gouttelette se réassemblait en annulant complètement sa diffusion turbulente d'origine. Si à un moment donné une petite erreur se produit, la dynamique chaotique ne s’annulera pas et les particules ne pourront pas traverser le trou de ver.

Sur le processeur quantique Sycamore, les chercheurs ont mesuré la quantité d'informations quantiques transférées d'un côté à l'autre du système lorsque des ondes de choc d'énergie négative et positive étaient appliquées. Ils ont observé une légère asymétrie entre les deux énergies, montrant une caractéristique clé d’un trou de ver traversable. En raison de la sensibilité de ce protocole au bruit, le faible taux d'erreur du processeur Sycamore est essentiel pour mesurer le signal, même avec un bruit 1,5 fois supérieur, le signal sera complètement masqué.

Regard vers l'avenir

La gravité n'est qu'un exemple de la capacité unique des ordinateurs quantiques à explorer des théories physiques complexes : les processeurs quantiques peuvent fournir des informations sur les cristaux temporels, le chaos quantique et la chimie. Ce travail sur la dynamique des trous de ver représente une étape vers l’utilisation de processeurs quantiques pour découvrir la physique fondamentale.

À mesure que les dispositifs quantiques continuent de s'améliorer, des taux d'erreur plus faibles et des puces plus grandes permettront aux chercheurs de procéder à une détection plus approfondie des phénomènes gravitationnels. Contrairement aux expériences qui enregistrent des données gravitationnelles sur le monde qui les entoure, les ordinateurs quantiques fournissent un outil pour explorer la théorie de la gravité quantique. À l’avenir, les ordinateurs quantiques contribueront à développer la compréhension des futures théories de la gravité quantique au-delà des modèles actuels.

Ce qui précède est le contenu détaillé de. pour plus d'informations, suivez d'autres articles connexes sur le site Web de PHP en chinois!