﻿물리학자들은 양자 컴퓨터를 사용하여 웜홀 역학을 관찰합니다.

물리학자들은 양자 컴퓨터를 사용하여 웜홀 역학을 관찰합니다. 이번 연구는 실험실에서 '양자중력' 연구를 향한 한걸음이다. 날짜: 2022년 11월 30일 원천: 캘리포니아 공과대학 요약: 과학자들은 특별한 종류의 이론적 웜홀의 역학 또는 행동을 연구할 수 있는 양자 실험을 개발했습니다. 과학자들은 처음으로 특별한 종류의 이론적 웜홀의 역학 또는 행동을 연구할 수 있는 양자 실험을 개발했습니다. 이 실험은 실제 웜홀(공간과 시간의 파열)을 생성하지 않았으며, 오히려 연구자들이 이론적 웜홀과 소위 양자 중력의 예측인 양자 물리학 사이의 연결을 조사할 수 있도록 합니다. 양자 중력은 본질적으로 서로 호환되지 않는 것처럼 보이는 자연에 대한 두 가지 기본적이고 잘 연구된 설명인 양자 물리학과 중력을 연결하려는 일련의 이론을 말합니다. "우리는 중력 웜홀의 주요 속성을 나타내면서도 오늘날의 양자 하드웨어에 구현할 수 있을 만큼 충분히 작은 양자 시스템을 발견했습니다. (QCCFP) 및 Caltech의 물리학과 Shang-Yi Ch'en 교수. "이 작업은 양자 컴퓨터를 사용하여 양자 중력 물리학을 테스트하는 더 큰 프로그램을 향한 단계를 구성합니다. 양자 감지를 사용하여 미래에 양자 중력 효과를 조사할 수 있는 다른 계획된 실험과 같은 방식으로 양자 중력의 직접 프로브를 대체하지 않습니다. , 그러나 그것은 양자 중력의 아이디어를 실행하기 위한 강력한 시험대를 제공합니다." 이 연구는 Nature 저널에 12월 1일 게재될 예정입니다 . 이 연구의 첫 번째 저자는 Harvard University의 Daniel Jafferis와 Caltech의 이전 학부생인 Alexander Zlokapa(BS '21)로, Spiropulu와 함께 학사 학위 논문을 위해 이 프로젝트를 시작했고 이후 MIT에서 대학원으로 진학했습니다. 웜홀은 시공간의 두 원격 영역 사이의 다리입니다. 그들은 실험적으로 관찰되지 않았지만 과학자들은 거의 100년 동안 그들의 존재와 특성에 대해 이론화했습니다. 1935년 앨버트 아인슈타인과 네이선 로젠은 중력을 시공간의 곡률로 설명하는 아인슈타인의 일반 상대성 이론에 따라 웜홀을 시공간 구조를 통과하는 터널로 설명했습니다. 연구원들은 웜홀을 호출한 두 물리학자의 이름을 따서 웜홀을 아인슈타인-로젠 브리지라고 부르며, "웜홀"이라는 용어 자체는 1950년대 물리학자 존 휠러에 의해 만들어졌습니다. 웜홀과 양자 물리학, 특히 얽힘(두 개의 입자가 먼 거리에 걸쳐 연결된 상태로 유지될 수 있는 현상)이 연결될 수 있다는 개념은 2013년 Juan Maldacena와 Leonard Susskind의 이론적 연구에서 처음 제안되었습니다. 물리학자들은 웜홀( 또는 "ER")은 얽힘(이 개념을 처음 제안한 Albert Einstein, Boris Podolsky [PhD '28] 및 Nathan Rosen의 이름을 따서 "EPR"이라고도 함)과 동일합니다. 본질적으로 이 작업은 중력과 양자 물리학의 세계 사이에 새로운 종류의 이론적 연결을 확립했습니다. "매우 대담하고 시적인 아이디어였습니다." ER = EPR 작업의 Spiropulu는 말합니다. 나중에 2017년에 Jafferis는 그의 동료인 Ping Gao 및 Aron Wall과 함께 ER = EPR 아이디어를 웜홀뿐만 아니라 횡단 가능한 웜홀로 확장했습니다. 과학자들은 음의 반발 에너지가 무언가가 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 통과할 수 있을 만큼 충분히 오랫동안 열려 있는 웜홀을 유지하는 시나리오를 만들어 냈습니다. 연구원들은 통과 가능한 웜홀에 대한 중력 설명이 양자 순간 이동으로 알려진 프로세스와 동일하다는 것을 보여주었습니다. 광섬유와 무선을 통해 장거리에서 실험적으로 입증된 프로토콜인 양자 순간이동에서 정보는 양자 얽힘의 원리를 사용하여 공간을 가로질러 전송됩니다. 현재 연구는 양자 순간이동과 웜홀의 동등성을 탐구합니다. Caltech이 이끄는 팀은 공간의 한 지점에서 다른 지점으로 이동하는 정보가 중력의 언어(웜홀) 또는 양자 물리학의 언어(양자 얽힘)로 설명될 수 있다는 아이디어를 조사하는 첫 번째 실험을 수행했습니다. 가능한 실험에 영감을 준 중요한 발견은 2015년 Caltech의 Alexei Kitaev, Ronald 및 Maxine Linde 이론 물리학 및 수학 교수가 간단한 양자 시스템이 나중에 Gao, Jafferis 및 Wall이 설명한 것과 동일한 이중성을 나타낼 수 있음을 보여주었을 때 발생했습니다. 모델의 양자 역학은 양자 중력 효과와 동일합니다. 이 Sachdev-Ye-Kitaev 또는 SYK 모델(Kitaev, Subir Sachdev 및 Jinwu Ye, 이전에 개발에 참여한 두 명의 연구원의 이름을 따서 명명됨)은 연구자들로 하여금 몇 가지 이론적 웜홀 아이디어가 양자 프로세서. 이러한 아이디어를 더욱 발전시켜 2019년에 Jafferis와 Gao는 연구원이 두 개의 SYK 모델을 얽힘으로써 웜홀 순간이동을 수행할 수 있어야 하고 따라서 횡단 가능한 웜홀에서 예상되는 동적 속성을 생성하고 측정할 수 있어야 함을 보여주었습니다. 새로운 연구에서 물리학자 팀은 처음으로 이러한 유형의 실험을 수행했습니다. 그들은 중력 특성을 보존하기 위해 준비된 "베이비" SYK 유사 모델을 사용했으며 Google의 양자 장치, 즉 Sycamore 양자 프로세서에서 웜홀 역학을 관찰했습니다. 이를 달성하기 위해 팀은 먼저 SYK 모델을 단순화된 형태로 줄여야 했으며, 이는 기존 컴퓨터에서 기계 학습 도구를 사용하여 달성한 성과입니다. "우리는 현재의 양자 아키텍처에서 인코딩될 수 있고 중력 특성을 보존할 간단한 SYK와 같은 양자 시스템을 찾고 준비하기 위해 학습 기술을 사용했습니다."라고 Spiropulu는 말합니다. "즉, 우리는 SYK 양자 시스템의 미시적 설명을 단순화하고 양자 프로세서에서 찾은 효과적인 모델을 연구했습니다. 모델의 한 특성에 대한 최적화가 다른 메트릭을 어떻게 보존했는지 궁금하고 놀랍습니다! 우리는 모델 자체에 대한 더 나은 통찰력을 얻기 위해 더 많은 테스트를 계획하고 있습니다." 실험에서 연구원들은 큐비트(기존의 실리콘 기반 컴퓨터의 비트에 해당하는 양자)를 SYK와 유사한 시스템 중 하나에 삽입하고 다른 시스템에서 정보가 나오는 것을 관찰했습니다. 정보는 양자 순간이동을 통해 한 양자 시스템에서 다른 양자 시스템으로 이동했습니다. 또는 양자 정보는 통과 가능한 웜홀을 통과했습니다. "우리는 중력 사진에서 횡단 가능한 웜홀에 해당하는 일종의 양자 순간 이동을 수행했습니다. 이를 위해 양자 시스템을 중력 특성을 보존하는 가장 작은 예로 단순화하여 Google의 Sycamore 양자 프로세서에 구현할 수 있었습니다. "라고 Zlokapa는 말합니다. Caltech의 대학원생인 공동 저자 Samantha Davis는 "결과에 도달하는 데 정말 오랜 시간이 걸렸고 결과에 놀랐습니다."라고 덧붙였습니다. "이러한 유형의 실험의 단기적 중요성은 중력 관점이 신비한 많은 입자 양자 현상을 이해하는 간단한 방법을 제공한다는 것입니다."라고 Caltech의 이론 물리학과 Richard P. Feynman 교수이자 양자 정보 및 물질 연구소(IQIM). "이 새로운 Google 실험에서 흥미로운 점은 기계 학습을 통해 중력 그림이 예측하는 것의 합리적인 캐리커처를 유지하면서 기존 양자 기계에서 시뮬레이션할 수 있을 만큼 시스템을 간단하게 만들 수 있었다는 것입니다." 이 연구에서 물리학자들은 중력과 양자 물리학의 관점 모두에서 예상되는 웜홀 동작을 보고합니다. 예를 들어, 양자 정보는 다양한 방법으로 장치를 통해 전송되거나 순간 이동할 수 있지만 실험 과정은 적어도 어떤 면에서는 정보가 웜홀을 통해 이동하는 경우 발생할 수 있는 상황과 동등한 것으로 나타났습니다. 이를 위해 팀은 음의 반발 에너지 펄스 또는 반대의 양의 에너지 펄스를 사용하여 "웜홀 열기"를 시도했습니다. 그들은 웜홀이 행동할 것으로 예상되는 방식과 일치하는 부정적인 에너지가 적용될 때만 횡단 가능한 웜홀의 주요 서명을 관찰했습니다. "우리가 사용한 양자 프로세서의 높은 충실도는 필수적이었습니다."라고 Spiropulu는 말합니다. "오류율이 50% 더 높았다면 신호가 완전히 가려졌을 것입니다. 오류율이 절반이었다면 신호가 10배 더 높아졌을 것입니다!"? 앞으로 연구원들은 이 작업을 더 복잡한 양자 회로로 확장하기를 희망합니다. 진정한 양자 컴퓨터는 아직 몇 년이 더 걸릴 수 있지만 팀은 기존 양자 컴퓨팅 플랫폼에서 이러한 특성의 실험을 계속 수행할 계획입니다. "양자 얽힘, 시공간 및 양자 중력 사이의 관계는 기초 물리학 및 이론 연구의 활발한 영역에서 가장 중요한 질문 중 하나입니다."라고 Spiropulu는 말합니다. "우리는 양자 하드웨어에서 이러한 아이디어를 테스트하기 위한 이 작은 발걸음을 내딛게 되어 기쁘고 앞으로도 계속할 것입니다." 출처 : <a href="https://www.sciencedaily.com/" target="_blank" class="ke-link">https://www.sciencedaily.com/</a>