'시간여행'은 현실이 될까? 과학자들이 최초의 '웜홀'을 만들어 네이처 표지에 등장

3차원 세계에 사는 우리 모두는 시간 여행이 가능할까?라는 질문에 대해 생각해 본 적이 있을 것입니다.

1916년 오스트리아 물리학자 루트비히 플램(Ludwig Flamm)이 처음으로 '웜홀' 개념을 제안했습니다. 1930년대 아인슈타인과 네이선 로젠(Nathan Rosen)은 중력장 방정식을 연구할 때 블랙홀과 화이트홀이 통과한다는 가설을 세웠기 때문에 '웜홀'이 탄생했습니다. "는 "아인슈타인-로젠 다리"라고도 불립니다. "웜홀"은 우주에서 가능한 "지름길"로 간주되며 이를 통해 물체가 시간과 공간을 순간적으로 이동할 수 있습니다. 그러나 과학자들은 웜홀의 객관적인 존재를 확인할 수 없었습니다.

이제 과학자들은 최초의 웜홀을 만들었고, 그 연구 논문은 네이처(Nature) 잡지 표지에 실렸습니다.

문서 주소: https://www.nature.com/articles/s41586-022-05424-3

웜홀은 작은 초전도 회로에 저장된 홀로그램과 같습니다. 이는 정보의 양자 비트 또는 "큐비트"로 구성됩니다. 연구는 큐비트를 조작하여 웜홀을 통해 정보를 보내는 데 성공했습니다.

이 연구는 California Institute of Technology 물리학 교수 Maria Spiropulu가 주도했습니다. 연구팀은 Google의 양자 컴퓨터 Sycamore를 사용하여 새로운 "웜홀 순간 이동 프로토콜"을 구현했습니다.

Caltech 물리학자 Maria Spiropulu. 출처: 퀀텀 매거진.

홀로그램 원리는 블랙홀의 양자 특성을 기반으로 하는 기본 원리로, 기초 물리학, 양자 역학, 일반 상대성이론을 포함합니다. 물리학자들은 1930년대부터 이러한 서로 다른 이론을 조화시키려고 노력해 왔습니다. 1990년대부터 홀로그램 원리는 두 프레임워크 간의 수학적 동등성 또는 "이중성"을 제안해 왔습니다. 홀로그램 원리는 일반 상대성 이론에 의해 설명된 구부러진 시공간 연속체가 실제로는 위장된 입자의 양자 시스템이라는 것을 유지합니다. 3D 홀로그램이 2D 패턴에서 투사되는 것처럼 시공간과 중력은 양자 효과에서 발생합니다.

그리고 Spiropulu 등의 이 새로운 실험은 양자 컴퓨터에서 양자 효과를 제어하고 상대성 이론에서 볼 수 있을 것으로 예상되는 현상인 웜홀을 생성할 수 있음을 확인합니다.

분명히 말하면 일반 홀로그램과 달리 웜홀은 우리가 볼 수 있는 것이 아닙니다. 웜홀의 수석 개발자이자 하버드 대학의 공동 저자인 Daniel Jafferis는 우리의 연구 결과가 "실제 공간과 시간의 필라멘트" 전송 프로토콜로 간주될 수 있지만 이는 우리와 우리가 살고 있는 것과 동일한 현실 세계의 일부가 아니라고 믿습니다. Sycamore 컴퓨터가 거주합니다. 홀로그램 원리는 이 두 가지 현실, 즉 웜홀이 있는 현실과 큐비트가 있는 현실이 동일한 물리학의 다른 버전임을 암시하지만 이 이중성을 개념화하는 방법은 미스터리로 남아 있습니다.

연구 결과의 기본 의미에 대해 과학계에서는 다양한 의견이 있을 수 있습니다. 그러나 결정적으로 실험에 등장한 홀로그램 웜홀은 우리 우주의 시공간과 다른 시공간으로 구성되어 있다는 점이다. 이 실험이 우리가 거주하는 시공간도 홀로그램이라는 추가 증거인지 여부는 논쟁의 여지가 있습니다.

Jafferis는 다음과 같이 말했습니다. "이 1차원 웜홀이 시카모어 칩에서 생성된 것처럼 우주의 중력은 실제로 일부 큐비트에서 생성된다고 생각합니다. 하지만 우리는 아직 완전히 확신할 수 없으며 여전히 열심히 탐험하고 있습니다. "

Background

AdS/CFT 서신은 일련의 질문을 통한 탐색 끝에 발견되었습니다. 단일 공간에 수용할 수 있는 정보의 양은 최대 얼마인가? 누군가 엔지니어에게 데이터 센터에 얼마나 많은 정보를 저장할 수 있는지 묻는다면 "그것은 그 안에 있는 메모리 칩의 수와 유형에 따라 다릅니다."라고 대답할 것입니다. 그러나 놀랍게도 데이터 센터 내부에 무엇이 있는지는 궁극적으로 그다지 중요하지 않습니다. 데이터 센터에 점점 더 많은 메모리 칩과 밀도가 높아지는 전자 장치를 집어넣으면 결국 사건의 지평선 너머로 사라지는 블랙홀로 붕괴될 것입니다.

제이콥 베켄슈타인, 스티븐 호킹 등 물리학자들이 블랙홀의 정보량을 계산하려고 했을 때, 블랙홀의 부피가 아닌 사건의 지평선 면적으로 주어진다는 사실에 놀랐습니다. 블랙홀 내부의 정보가 사건의 지평선에 기록되어 있는 것처럼 보입니다. 구체적으로, 블랙홀의 사건 지평선은 A 작은 단위(각 단위를 "플랑크 영역"이라고 하며 2.6121×10^-70제곱미터)의 면적으로 배치할 수 있으며 최대 A/ 4비트 정보. 이 한계를 "Bekenstein-Hawking 경계"라고 합니다.

이 발견은 한 지역이 보유할 수 있는 정보의 최대량이 반드시 그 부피에 비례하는 것이 아니라 지역 경계의 표면적에 비례한다는 것을 보여줍니다. 이는 양자 정보가 3가지와 관련이 있음을 의미합니다. 우리 일상 경험 속의 차원 공간 세계들 사이의 흥미로운 관계. 이 관계는 양자 정보(큐비트)에서 물질(그것)이 어떻게 나타나는지 설명하는 "It from qubit"이라는 문구로 캡슐화되었습니다.

이 관계를 일반적인 시공간에서는 공식화하기 어려운 반면, 최근 연구에서는 양자 중력 이론이 적용되는 "안티 데 시터 공간(anti-de Sitter space)"으로 알려진 쌍곡선 기하학을 사용하는 가상 우주에 대해 상당한 진전을 이루었습니다. 더욱 자연스럽게 제작되었습니다.

안티-드 시터 공간에서 공간의 중력 부피에 대한 설명은 볼륨을 둘러싼 경계에서 인코딩되는 것으로 생각할 수 있습니다. 공간의 모든 객체는 경계에서 해당 설명을 가지며 그 반대도 마찬가지입니다. 이러한 정보의 일치를 "홀로그램 원리"라고 하며, 이는 베켄슈타인과 호킹의 관찰에서 영감을 얻은 일반 원리입니다.

AdS/CFT 통신을 통해 물리학자는 우주의 물체를 표면의 상호 작용하는 큐비트의 특정 컬렉션에 연결할 수 있습니다. 즉, 경계의 각 영역은 특정 위치의 물질이 양자 정보로부터 "구성"될 수 있도록 시공간의 특정 영역의 내용을 (양자 정보로) 인코딩합니다. 이를 통해 양자 프로세서는 큐비트와 직접 작업하면서 공간과 시간의 물리학에 대한 통찰력을 제공할 수 있습니다. 특정 모델을 시뮬레이션하기 위해 양자 컴퓨터의 매개 변수를 신중하게 정의함으로써 우리는 블랙홀을 연구하거나 한 단계 더 나아가 두 개의 상호 연결된 블랙홀("웜홀" 또는 "아인슈타인-로젠 브리지"로 알려진 구성)을 연구할 수 있습니다. ".

실험실의 양자 중력

Google 연구원들은 이러한 아이디어를 Sycamore 프로세서에 구현할 계획이며, 횡단 가능한 웜홀에 해당하는 양자 시스템을 구축했습니다. 양자 정보의 언어에서 공간과 시간의 물리학으로 홀로그램 원리를 변환함으로써 실험에서는 입자가 웜홀의 한쪽으로 떨어지고 다른 쪽에서 나타나는 것을 볼 수 있습니다.

최근 연구에서 Daniel Jafferis, Ping Gao 및 Aron Wall은 횡단 가능한 웜홀의 가능성을 보여주었습니다. 웜홀은 오랫동안 SF의 주제였지만 "상상으로부터" 만들어진 웜홀은 통과하는 입자에 의해 붕괴될 것입니다.

연구원들은 음에너지 충격파, 즉 빛의 속도로 이동하는 시공간 변형이 웜홀을 통과할 수 있을 만큼 충분히 길게 열어 이 문제를 해결할 수 있음을 보여주었습니다. 횡단 가능한 웜홀에 존재하는 음에너지는 진공 에너지가 밀접하게 간격을 둔 판을 서로 밀어내는 카시미르 효과의 음에너지와 유사합니다. 두 경우 모두, 양자 역학은 공간의 특정 위치에서 에너지 밀도가 양수 또는 음수가 되도록 허용합니다. 반면에 웜홀이 긍정적인 에너지의 충격파를 경험하면 어떤 정보도 통과할 수 없습니다.

홀로그램 원리를 사용하여 웜홀을 만드는 가장 간단한 적용에는 아주 많은 큐비트가 필요합니다. 실제로 이론 물리학자가 제공하는 연필과 종이 솔루션에 가까워지려면 아주 많은 큐비트 비트가 필요합니다. 큐비트 수가 감소함에 따라 오늘날에도 아직 알려지지 않은 추가 수정이 필요했습니다. 제한된 수의 양자 컴퓨터에 횡단 가능한 웜홀을 구축하려면 새로운 아이디어가 필요합니다.

연구원 중 한 명인 Zlokapa는 딥 러닝 아이디어를 사용하여 중력 물리학의 주요 측면을 유지하는 작은 양자 시스템을 설계했습니다. 신경망은 네트워크의 각 계층의 기울기를 직접 계산하여 매개변수를 최적화하는 방법인 역전파를 통해 훈련됩니다. 신경망의 성능을 향상하고 훈련 데이터 세트의 과적합을 방지하기 위해 기계 학습 연구자들은 가능한 한 많은 가중치를 설정하여 네트워크의 정보 세부 사항을 제한하려고 시도하는 희소화와 같은 많은 기술을 사용합니다. 0으로.

Alex Zlokapa는 학부생으로 Wormhole Project에 참여한 MIT 대학원생입니다. 그의 연구에서 그는 Google의 양자 컴퓨터에서 실행될 수 있을 만큼 웜홀 프로토콜을 단순화하는 방법을 찾았습니다. 출처: 퀀텀 매거진.

마찬가지로, 웜홀을 만들기 위해 연구자들은 대규모 양자 시스템으로 시작하여 이를 신경망처럼 취급합니다. 역전파는 중력 특성을 유지하기 위해 시스템의 매개변수를 업데이트하는 반면, 희소화는 시스템의 크기를 줄입니다. 그들은 기계 학습을 적용하여 하나의 핵심 중력 특성, 즉 음의 에너지 충격파 사용의 중요성만 유지하는 시스템을 학습했습니다. 훈련 데이터 세트는 음의 에너지로 열린 웜홀과 양의 에너지로 붕괴된 웜홀을 통해 이동하는 입자의 역학을 비교합니다. 학습된 시스템이 이러한 비대칭성을 유지하도록 함으로써 웜홀 역학과 일치하는 희소 모델을 얻었습니다.

연구원들은 새로운 양자 시스템이 다양한 에너지의 충격파로 인한 특성을 넘어서는 중력 거동을 나타내는지 확인하기 위해 많은 테스트를 수행했습니다. 예를 들어, 양자 역학 효과는 다양한 방식으로 양자 시스템의 정보를 전달할 수 있지만, 웜홀을 포함하여 공간과 시간을 통해 이동하는 정보는 인과적으로 일관성이 있어야 합니다. 이 기능과 기타 기능은 고전 컴퓨터에서 검증되었으며, 이는 양자 시스템의 역학이 홀로그램 원리 어휘를 통해 중력에 대한 설명과 일치함을 확인했습니다.

양자 프로세서에 대한 실험으로 횡단 가능한 웜홀을 구현하는 것은 매우 섬세한 과정입니다. 큐비트를 통한 정보 전송의 미세한 메커니즘은 매우 혼란스럽습니다. 물 속에서 소용돌이치는 잉크 방울을 상상해 보십시오. 입자가 웜홀에 떨어지면 그 정보가 홀로그램의 전체 양자 시스템에 번집니다. 부정적인 에너지 충격파가 작동하려면 정보의 붕괴가 '완벽한 크기 굴곡'으로 알려진 특별한 패턴을 따라야 합니다.

입자가 음에너지 충격파에 부딪힌 후 혼돈 패턴은 효과적으로 역으로 작동합니다. 입자가 웜홀에서 나올 때 마치 원래의 난류 확산을 완전히 취소하여 물방울이 스스로 재조립되는 것과 같습니다. 어느 시점에서든 작은 오류가 발생하더라도 혼돈 역학은 스스로 취소되지 않으며 입자는 웜홀을 통과할 수 없습니다.

시카모어(Sycamore) 양자 프로세서에서 연구원들은 음의 에너지 충격파와 양의 에너지 충격파가 적용될 때 시스템의 한 쪽에서 다른 쪽으로 전송되는 양자 정보의 양을 측정했습니다. 그들은 두 에너지 사이의 약간의 비대칭성을 관찰했는데, 이는 횡단 가능한 웜홀의 주요 특징을 보여줍니다. 이 프로토콜은 잡음에 민감하기 때문에 Sycamore 프로세서의 낮은 오류율은 신호를 측정하는 데 매우 중요합니다. 잡음이 1.5배라도 신호가 완전히 가려집니다.

미래 보기

중력은 복잡한 물리 이론을 탐구하는 양자 컴퓨터의 고유한 능력을 보여주는 한 예일 뿐입니다. 양자 프로세서는 시간 결정, 양자 혼돈 및 화학에 대한 통찰력을 제공할 수 있습니다. 웜홀 역학에 대한 이 연구는 양자 프로세서를 사용하여 기본 물리학을 발견하는 단계를 나타냅니다.

양자 장치가 지속적으로 개선됨에 따라 오류율이 낮아지고 칩이 커짐에 따라 연구자들은 중력 현상을 더욱 심층적으로 탐지할 수 있습니다. 주변 세계에 대한 중력 데이터를 기록하는 실험과 달리 양자 컴퓨터는 양자 중력 이론을 탐구하기 위한 도구를 제공합니다. 앞으로 양자 컴퓨터는 현재 모델을 넘어 미래의 양자 중력 이론에 대한 이해를 높이는 데 도움이 될 것입니다.

위 내용은 '시간여행'은 현실이 될까? 과학자들이 최초의 '웜홀'을 만들어 네이처 표지에 등장의 상세 내용입니다. 자세한 내용은 PHP 중국어 웹사이트의 기타 관련 기사를 참조하세요!