물리학자들은 양자 컴퓨터에 웜홀을 만들었습니까?

[이매진]

물리학자들은 양자 컴퓨터에 웜홀을 만들었습니까?

https://www.nature.com/articles/d41586-022-04201-6

물리학자들은 양자 컴퓨터에 웜홀을 만들었습니까?

특이한 순간이동 실험은 평범한 양자 물리학이지만 이국적인 '장난감 우주'를 통과하는 터널에서 영감을 받았습니다.

• 다비데 카스텔베키

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양자 순간이동 실험을 예술적으로 표현한 것입니다.

물리학자들은 양자 컴퓨터를 사용하여 정보가 즉시 이동할 수 있는 것처럼 양자 상태가 먼 장소 사이를 이동할 수 있는 새로운 종류의 양자 순간이동을 수행했습니다. 순간이동은 양자 기술에서 확립된 기술이지만 최신 실험의 목적은 가상 우주를 통해 '웜홀'이라는 통로의 동작을 시뮬레이션하는 것이었습니다.

11 월 30일자 네이처( Nature )에 기술된 이 실험의 배후 연구원 들은 중력과 양자 역학이 함께 조화롭게 작동하는 것처럼 보이는 추상 우주에 대한 아이디어를 탐구하기 위해 일반적인 양자 물리학을 사용하는 단계라고 말합니다. 양자 컴퓨터는 이러한 '장난감' 우주에서 양자 중력 이론을 개발하는 데 도움이 될 수 있습니다(우리 자신의 우주에 대한 양자 중력 이론을 개발하는 것은 물리학에서 가장 큰 공개 질문 중 하나입니다). 이 연구를 주도한 캘리포니아 공과대학(California Institute of Technology)의 입자 물리학자인 Maria Spiropulu는 "이것은 실제 실험실 실험 테스트베드에서 양자 중력 아이디어를 테스트한 것입니다.

시공간의 터널

물리학자 앨버트 아인슈타인과 네이선 로젠은 1935년에 블랙홀의 중심을 연결할 수 있는 시공간을 통과하는 통로인 웜홀에 대한 아이디어를 제안했습니다. 그들은 원칙적으로 웜홀이 아인슈타인의 일반 상대성 이론에 의해 허용된다고 계산했습니다. 시공간 곡률의 영향. (물리학자들은 웜홀이 존재하더라도 공상과학 소설에 등장하는 성간 여행과 같은 것을 허용할 가능성이 없다는 것을 곧 깨달았습니다.)

그들은 이국적인 장난감 우주로 작업하고 있었기 때문에 최신 연구는 우리 우주에 존재할 수 있는 아인슈타인과 로젠이 상상한 웜홀과 유사한 것을 시뮬레이션하지 않았습니다. 그러나 그들의 순간이동 실험은 가상 시스템의 웜홀과 유사한 것으로 해석될 수 있습니다. 연구원의 '웜홀'의 한쪽으로 공급된 양자 정보는 다른 쪽에 다시 나타납니다.

함께 제공되는 News and Views 기사 의 저자는 "놀라운 것은 메시지가 어떤 형태로든 전달되었다는 것이 아니라 혼란 없이 전달되었다는 것입니다."라고 썼습니다 . "그러나 이것은 중력 설명에서 쉽게 이해할 수 있습니다. 메시지는 웜홀을 통과했기 때문에 다른쪽에 도착합니다."

이국적인 물리학

이 실험은 이국적인 우주의 물리학과 그들 자신의 중력 버전을 보다 표준적이지만 여전히 가상인 양자 시스템에 연결하는 초기 연구에서 영감을 받았습니다. 주요 아이디어는 2차원 홀로그램이 3차원 이미지의 환영을 만들 수 있는 방법과 유사하게 일종의 '그림자 세계'에 살고 있는 일반 양자 입자의 집합적 행동에서 일부 추상적인 시공간 버전이 나온다는 것입니다. 그 '홀로그램' 행동 은 창발적인 시공간이 스스로 휘어져 중력의 효과를 만들어내는 방식을 지시합니다.

물리학자들은 창발 우주에 대한 양자 중력 이론을 직접 작성하는 방법을 아직 알지 못하지만 그러한 현상이 그림자 세계의 물리학에 완전히 캡슐화되어야 한다는 것을 알고 있습니다. 이것은 여전히 ​​이론물리학자에게 수수께끼로 남아 있는 블랙홀이나 웜홀과 같은 중력 현상이 양자 이론과 양립할 수 있어야 함을 의미합니다.

최근의 실험은 공저자인 매사추세츠주 캠브리지에 있는 하버드 대학의 이론 물리학자인 다니엘 자페리스(Daniel Jafferis)와 그의 동료들이 2017년에 제안한 계획을 따릅니다 2 . 그 작업은 제작자의 이니셜을 따서 SYK로 알려진 가장 단순한 홀로그램 서신에 초점을 맞췄습니다. 이 장난감 모델 우주에서 공간은 3차원이 아닌 1차원만 있습니다.

최신 연구에서 Jafferis와 동료들은 Google Sycamore 프로세서의 양자 비트 또는 큐비트를 사용하여 홀로그램의 훨씬 더 간소화된 버전을 시뮬레이션했습니다. 그들은 시뮬레이션된 양자 입자가 가상 ​​우주에서 중력의 일부 동작을 재현할 것으로 예상했지만 오늘날 양자 컴퓨터의 기능에 의해 제한되었습니다. 이 연구를 이끈 캘리포니아 공과대학(California Institute of Technology)의 입자 물리학자인 마리아 스피로풀루(Maria Spiropulu)는 "우리는 중력 특성을 보존하고 제한된 양의 큐비트를 가진 양자 프로세서에서 코딩할 수 있는 모델을 찾아야 했습니다."라고 말했습니다. "우리는 그것을 아기 모델로 축소했고 그것이 중력 역학을 보존하는지 확인했습니다."

"우리가 이 프로젝트를 진행하기 전에는 이렇게 적은 수의 큐비트를 가진 시스템이 이러한 현상을 나타낼 수 있다는 것이 분명하지 않았습니다."라고 Jafferis는 덧붙입니다.

일부 연구자들은 이 연구가 우리 자신의 우주를 위한 양자 중력 이론을 개발하기 위한 유망한 경로라고 믿고 있지만, 다른 사람들은 이것을 막다른 골목으로 보고 있습니다. 케임브리지에 있는 MIT의 수학자 Peter Shor는 Google 연구실에서 테스트한 이론이 "우리 우주에서 가능한 모든 양자 중력 이론과 매우 접선적인 관계만 가지고 있다"고 말합니다.

도이: https://doi.org/10.1038/d41586-022-04201-6