Физики доказали, что телепортация возможна

Ученые создали "кротовую нору" Эйнштейна в квантовом компьютере. Она может позволить путешествовать между областями вселенной. Об опыте ученых Fermilab и Массачусетского технологического института рассказал в журнале Nature Давид Кастельвекки (Davide Castelvecchi).

Необычный эксперимент по телепортации – это простая квантовая физика, но на его проведение ученых вдохновили туннели в экзотической "игрушечной вселенной".

Физики воспользовались квантовым компьютером, чтобы осуществить квантовую телепортацию нового типа. Это возможность перемещения квантового состояния между удаленными друг от друга местами, как будто информация может перемещаться мгновенно. Телепортация – это зарекомендовавший себя прием в квантовой технологии, однако цель нового эксперимента заключалась в моделировании свойств прохода под названием "кротовая нора" в виртуальной вселенной.

Участники эксперимента, описанного в номере журнала Nature от 30 ноября, называют его важным шагом к использованию обычной квантовой физики для исследования представлений об абстрактных вселенных, когда гравитация и квантовая механика гармонично сосуществуют. Квантовые компьютеры способны помочь с разработкой квантовой теории гравитации в этих "игрушечных" вселенных (разработка квантовой теории гравитации для нашей Вселенной – это один из самых важных вопросов в физике, на который пока нет ответа). "Это проверка представлений о квантовой гравитации в реальных лабораторных условиях на испытательном стенде", - говорит специалист по физике элементарных частиц и руководитель исследования Мария Спиропулу (Maria Spiropulu), работающая в Калифорнийском технологическом институте.

Туннели в пространстве-времени

Физики Альберт Эйнштейн и Натан Розен в 1935 году выдвинули теорию кротовых нор, или червоточин. Так они назвали проходы в пространственно-временном континууме, которые могут соединять центры черных дыр. Они рассчитали, что в принципе общая теория относительности Эйнштейна допускает существование таких кротовых нор. А это объясняет гравитацию как следствие искривления пространства-времени. (Вскоре физики поняли, что даже если кротовые норы существуют, они вряд ли позволят осуществлять межзвездные полеты, о которых пишут научные фантасты.)

Поскольку ученые работали с экзотической игрушечной вселенной, они в ходе своего исследования не моделировали ничего такого, что напоминало бы кротовую нору, о которой говорили Эйнштейн и Розен, и которая могла бы существовать в нашей Вселенной. Но эксперимент с телепортацией можно считать аналогом червоточины в их виртуальной системе, ведь речь идет о том, что поданная с одной стороны "кротовой норы" квантовая информация появилась с другой стороны.

"Удивительно не то, что послание добралось в некоей форме, а то, что оно добралось в правильной последовательности, - написали авторы в своей сопроводительной статье. – Это вполне понятно из гравитационного описания: послание прибывает в другую сторону в полном порядке, потому что оно перемещалось в кротовой норе".

Экзотическая физика

На проведение этого эксперимента ученых вдохновили более ранние исследования, в которых соединилась физика экзотических вселенных и их собственная версия гравитации с более стандартной, и тем не менее, виртуальной квантовой системой. Основная идея состоит в том, что из коллективных свойств простых квантовых частиц, живущих в своеобразном "теневом мире", возникают некие абстрактные варианты пространства-времени. Это похоже на то, как двухмерная голограмма создает иллюзию трехмерного изображения. Такое голографическое "поведение" определяет, как возникающее пространство-время искривляется само в себе, производя эффект гравитации.

Физики пока не знают, как писать квантовые теории возникающих вселенных непосредственно. Но им известно, что такие явления должны находить отражение в физике вышеупомянутого теневого мира. Это значит, что такие гравитационные явления как черные дыры, до сих пор являющиеся загадкой для теоретической физики, а также кротовые норы не противоречат квантовой теории.

Новый эксперимент был проведен по схеме, предложенной в 2017 году физиком из Гарвардского университета в Кембридже, штат Массачусетс, Дэниелом Джафферисом (Daniel Jafferis) и его коллегами. Главное внимание в этой работе было уделено простейшей модели голографического соответствия SYK (названа так по инициалам ее создателей). В такой игрушечной смоделированной вселенной у пространства не три измерения, а только одно.

В своем новом исследовании Джафферис с коллегами смоделировал еще более упрощенную версию такой голограммы, используя квантовые биты (кубиты) процессора Sycamore компании Google. Они рассчитывали, что смоделированные ими квантовые частицы воспроизведут определенные характеристики гравитации в виртуальной вселенной. Но в своей работе они были ограничены возможностями современных квантовых компьютеров. "Нам надо было найти модель, которая как бы сохраняет свойства гравитации, и которую мы могли бы закодировать на квантовом процессоре с ограниченным количеством кубитов, - рассказала Мария Спиропулу. – Мы уменьшили ее до крошечной модели и проверили, чтобы она сохраняла гравитационную динамику".

"До начала работы над проектом не было ясно, сможет ли продемонстрировать это явление система с таким незначительным числом кубитов", - добавил Джафферис.

Некоторые ученые считают, что это направление исследований является многообещающим путем к разработке квантовой теории гравитации для нашей Вселенной. Другие же видят в нем тупик. Проверенная в лаборатории Google теория "имеет лишь очень косвенное отношение к любым возможным теориям квантовой гравитации в нашей Вселенной", - говорит математик из Массачусетского технологического института в Кембридже Питер Шор (Peter Shor).

Перевод ИноСМИ.

В продолжение темы

Куда делась половина Вселенной?

Согласно существующим теориям, материи и антиматерии во Вселенной должно быть поровну, пишет автор статьи в Big Think Дон Линкольн (DonLincoln). Но антиматерию мы обнаружить никак не можем. Куда же она делась? Ответ на этот вопрос даст нам ключ к пониманию существования мира.

Учёные знают поразительное количество странных вещей. Нам, например, известно, что Вселенная появилась около 14 миллиардов лет назад в результате катаклизма, так называемого Большого взрыва. Это событие было впервые экспериментально доказано в 1929 году, и с годами появлялось всё больше подтверждений в пользу гипотезы. В том, что так всё и было, нет никаких событий.

Мы также знаем, что помимо обычной материи, из которой мы состоим, существует ещё и необычная, так называемая антиматерия. Когда оба типа материи соприкасаются, они уничтожают друг друга, и высвобождается ошеломляюще огромное количество энергии. При контакте одного грамма антиматерии с одним граммом материи высвобождается такое же количество энергии, как при взрыве атомной бомбы в Хиросиме в 1945 году.

Если объединение материи и антиматерии приводит к образованию энергии, то и обратный процесс тоже возможен. Энергия может образовывать материю и антиматерию, причём в равных количествах. Антиматерия была открыта в 1931 году, и с тех пор появлялось всё больше доказательств этой теории. Существование антиматерии общепризнано, она даже сыграла значимую (и в некоторой степени реалистичную) роль в романе-блокбастере Дэна Брауна "Ангелы и демоны".

Что не так с антиматерией?

Существует множество доказательств теории Большого взрыва и существования антиматерии, но в этом-то и загвоздка. Если объединить эти два факта, возникает сложный вопрос: и то, и другое не может быть одновременно правдой, или, как минимум, в этой теории есть недостающий элемент.

И вот тут возникает проблема. Когда появилась Вселенная, в космосе было полно энергии. Энергия может превращаться в материю и антиматерию. По мере того как Вселенная расширялась и охлаждалась, вся эта энергия по идее должна была превратиться в равное количество материи и антиматерии. Но если посмотреть вокруг, можно сделать любопытный вывод: Вселенная, которую мы видим, состоит только из материи.

Может, антиматерия водится где-нибудь далеко-далеко в галактике?

По общему мнению, антиматерия может быть где-нибудь "там" во Вселенной. В конце концов, если материя и антиматерия не соприкасаются, то и проблемы нет. В принципе, антиматерией могла бы быть Луна. Но мы знаем, что это не так. Если Нил Армстронг и весь его лунный модуль представляли материю, а Луна была бы антиматерией, то при соприкосновении космического аппарата с поверхностью спутника произошёл бы очень крупный взрыв. Этого не произошло, поэтому теперь мы знаем, что Луна состоит из материи.

Исследование других небесных тел позволяет нам сделать такой же вывод о наших космических соседях: Солнечная система состоит из материи. А как насчёт других звёзд? Мы можем быть уверены в том, что другие звёзды в галактике Млечного Пути тоже состоят из материи.

Такие звёзды, как Солнце, постоянно испускают частицы, которые именуют в нашей системе "солнечным ветром". На самом деле это поток атомов, испускаемых Солнцем в межзвёздное пространство.

Если бы существовали звёзды, состоящие из антиматерии, то они бы и выпускали атомы антиматерии, и тогда атомы материи и антиматерии летали бы в межзвёздном пространстве. Иногда они бы сталкивались и уничтожали друг друга. Если бы такое происходило, то в результате этого процесса могла бы появиться особая форма гамма-излучения (что-то вроде очень мощного рентгеновского).

Но поскольку такого гамма-излучения не обнаружено, мы можем быть уверены в том, что другие звёзды тоже состоят из материи. И по такому же принципу можно исключить существование галактик из антиматерии. В межгалактическом пространстве газовые облака, окружающие галактики, соприкасались бы, и мы бы тогда узнали о взаимодействии облаков из материи и антиматерии.

Так где же вся антиматерия?

Если же всё-таки нельзя исключить возможность существования галактик из материи и антиматерии, то с чем мы тогда имеем дело? Остаётся очень странная гипотеза о том, что каким-то образом во время возникновения Вселенной материи было больше, чем антиматерии. И, похоже, что так оно и было.

По имеющимся данным, на ранней стадии образования Вселенной, менее чем через секунду после её возникновения, на каждые два миллиарда частиц антиматерии приходилось два миллиарда и одна частица материи. Два миллиарда частиц материи и антиматерии уничтожили друг друга, оставив одну частицу материи, которая потом объединилась с остальными себе подобными. Таким образом сформировалась материя, с которой мы имеем дело сейчас.

Энергию, образовавшуюся в результате уничтожения материи и антиматерии, можно встретить где угодно. Радиоволны заполняют всю Вселенную. Это явление известно как космическое микроволновое фоновое излучение. Именно путем измерения реликтового излучения и подсчета протонов во Вселенной мы определили соотношение материи и антиматерии.

Загадка асимметрии

Как так вышло, что соотношение материи и антиматерии на раннем этапе образования Вселенной было слегка непропорциональным? Мы не знаем ответа на вопрос, но у учёных есть некоторые мысли на этот счёт.

Например, в 60-х годах учёные обнаружили, что субатомные частицы материи во Вселенной слегка преобладают над своими эквивалентами антиматерии. Эти частицы называются кварками. Но непропорциональное соотношение кварков и антикварков не в достаточной мере объясняет существование Вселенной, поэтому исследователи предложили другую гипотезу.

Нейтрино — это такие частицы с очень маленькой массой, которые образуются при некоторых формах радиоактивного распада. Крупнейшим и ближайшим источником нейтрино является Солнце. Исследователи создают ускорители и детекторы частиц, чтобы изучить поведение нейтрино и антинейтрино и узнать, есть ли у них различия. Если нейтрино и антинейтрино ведут себя по-разному, то это стало бы ключом к разгадке. Тогда можно было бы заключить, что наша Вселенная сформировалась в результате лептогенеза, то есть из частиц малой массы.

Для изучения этой теории сейчас строят разные объекты, но крупнейший находится в США и называется DUNE (Глубокий подземный нейтринный эксперимент). В рамках эксперимента исследователи лаборатории Фермилаб, недалеко от Чикаго, будут выстреливать нейтрино и антинейтрино по направлению специального детектора, который находится в Южной Дакоте, на расстоянии в 1300 километров. Эксперимент в DUNEпланируется провести в этом десятилетии. (Открою вам секрет: я — исследователь Фермилаб, но не связан с DUNE).

Никто не знает, почему Вселенная благосклонна к материи, но не к антиматерии. Важно в этом разобраться. Без этого крошечного дисбаланса (или асимметрии) нас бы попросту не существовало. Так что мы должны ответить на этот вопрос, чтобы понять, почему галактики, звёзды и люди продолжают существовать.

Перевод ИноСМИ.