اولین شبیه‌سازی یک کرم چاله

فرارو- مکانیک کوانتومی و نظریه نسبیت مانند قابیل و هابیل هستند دو خواهر و برادر ناهماهنگ با طبیعت یکسان. یکی روی ماده در مقیاس زیراتمی متمرکز است و دیگری دنیای ماکروسکوپی را بررسی می‌کنند.

به گزارش فرارو به نقل از ال‌پائیس؛ این دو نظریه ناسازگار هستند بنابراین، یافتن یک نقطه آشتی برای درک واقعیت فیزیکی امری اساسی است. با این وجود، نتیجه مقاله‌ای منتشر شده در نشریه “نیچر” نشان می‌دهد که اخیرا با اولین شبیه سازی کوانتومی یک کرم چاله با استفاده از پردازنده سیکامور گوگل، نزدیکی اولیه حاصل شد.

“ماریا اسپیروپولو” فیزیکدان موسسه فناوری کالیفرنیا و یکی از نویسندگان مقاله “نیچر” می‌گوید که این آزمایش نشان می‌دهد «خواص یک سیستم کوانتومی با ویژگی‌های یک سیستم گرانشی مرتبط است». این یافته جهشی قابل توجه برای مطالعه سیاه چاله‌ها و تحقیقات آزمایشگاهی بر روی فرضیه گرانش کوانتومی با استفاده از رایانه‌هایی است که می‌توانند پدیده‌های مکانیک کوانتومی را مهار کنند و دریچه تازه‌ای را برای کائنات خواهد گشود.

یک کرم چاله که به عنوان پل انیشتین – روزن نیز شناخته می‌شود نشان دهنده یک میانبر در فضا و زمان است نوعی تونل کوتاه شده بین دو کهکشان که در واقع از هم فاصله‌ای به اندازه سال نوری دارند.

دانشمندان از لحاظ نظری ثابت کرده‌اند که این میانبر می‌تواند با ایجاد دو سیاهچاله درهم تنیده ایجاد شود. یک کرم چاله را می‌توان به صورت دو قیف که در انتهای باریک به یکدیگر متصل شده اند با سیاه چاله‌هایی که در دهانه‌های عریض قرار دارند نشان داد.

با این وجود، برخلاف کرم چاله‌ها در فیلم‌های علمی – تخیلی این ساختار‌های فرضی قادر نیستند اطلاعات یا مواد را از راه دور انتقال دهند، زیرا هر پیامی یا هر شیء که در داخل آن به دام افتاده باشد از بین می‌رود.

این تخریب برای سیاهچاله‌ها معمول است که حتی اجازه عبور نور را نمی‌دهند. با این وجود، اگر یک برهم کنش متعارف (که با سرعت نور منتقل می‌شود) بین دو ناظر در انتهای مخالف کرم چاله برقرار شود به گونه‌ای باز می‌شود که امکان عبور از آن را فراهم می‌کند.

این پدیده را نمی‌توان با انجام آزمایش مشاهده کرد، زیرا هیچ راه قابل قبولی برای ایجاد دو سیاهچاله درهم تنیده در آزمایشگاه وجود ندارد. بنابراین، پژوهشگرانی که مقاله را در نشریه “نیچر” منتشر کردند “معادل هولوگرافیک” این فرآیند را ایجاد کرده و مورد مطالعه قرار دادند.

“آلبرتو کاساس” پژوهشگر موسسه فیزیک نظری در مادرید و نویسنده اثر “انقلاب کوانتومی” مفهوم شبیه‌سازی کرم چاله را به زبان ساده این گونه توضیح می‌دهد: “شبیه یک قوطی استوانه‌ای است. در داخل سه بعد وجود دارد، اما انتهای آن دو بعدی و مسطح است. نیروی گرانشی که بر هر چیزی در داخل آن اثر می‌گذارد بازتابی ایجاد می‌کند که می‌توان آن را روی دو درب قوطی جایی که جاذبه وجود ندارد مشاهده کرد”.

کاساس می‌گوید این اصل هولوگرافیک نامیده می‌شود اصلی که احتمالا در یک نظریه گرانش کوانتومی ثابت انجام می‌شود. او می‌افزاید: «هر آن چه در یک نظریه گرانشی رخ می‌دهد با یک بعد کم‌تر معادلی در یک نظریه غیر گرانشی دارد».

به طور خاص، کرم چاله در نظریه گرانشی به عنوان یک سیستم درهم تنیده کوانتومی در نظریه غیر گرانشی دیده می‌شود. بنابراین، انتقال اطلاعات از طریق یک کرم چاله می‌تواند به عنوان تله پورتیشن یا ترابرد کوانتومی در نظریه غیر گرانشی تلقی شود.

نویسندگان مقاله در نشریه “نیچر” یک سیستم درهم تنیده بین دو قسمت از یک رایانه کوانتومی ایجاد کرده‌اند که دارای یک کرم چاله به عنوان معادل هولوگرافیک است. آنان نشان دادند که اطلاعات را می‌توان از طریق نوعی انتقال کوانتومی بین این دو بخش با تقلید از آن چه از طریق کرم چاله معادل رخ می‌دهد، انتقال داد.

مشاهده این پدیده امری قابل توجه است، زیرا به نظر می‌رسد پیام نوشته شده توسط آلیس (نامی که در فیزیک کوانتوم برای فرستنده پیام استفاده می‌شود) به طور غیرقابل جبرانی در جایی در زیر سیستم اول گم شده، اما پس از مدت کوتاهی دوباره دست نخورده در زیرسیستم باب (گیرنده پیام) ظاهر می‌شود.

کاساس می‌گوید: «گویی آلیس پیامی روی آب نوشته است. در ابتدا به نظر می‌رسد پیام در حرکت تریلیون‌ها مولکول آب ناپدید می‌شود و بازیابی آن غیر ممکن است. اما پس از آن پیام دوباره دست نخورده در نقطه دیگری از سطح آب ظاهر می‌شود.

این رفتار شگفت انگیز همان چیزی است که در واقع بین دو سیستم درهم تنیده ایجاد شده در این آزمایش اتفاق می‌افتد. اگر به معادل هولوگرافیک آن فکر کنیم می‌توان آن را راحت‌تر درک کرد: پیام آلیس توسط کرم چاله بلعیده شده و در انتهای دیگر به باب تحویل داده می‌شود».

کاساس می‌افزاید: «این یک نتیجه بسیار جالب است، زیرا اگر از یک رایانه قوی‌تر استفاده شود (تنها نه کیوبیت در شبیه سازی استفاده شد) می‌توان سیستم‌های ماکروسکوپی را شبیه سازی کرد و اثرات گرانش کوانتومی را بر روی آن مورد مطالعه قرار داد».

نویسندگان مقاله “نیچر” اذعان می‌کنند که شبیه سازی را می‌توان با استفاده از محاسبات معمول به دست آورد، اما استفاده از پردازنده سیکامور ساخت گوگل ظرفیت بالقوه انجام آزمایش‌های گرانش کوانتومی بر روی پردازنده‌های مبتنی بر فیزیک کوانتومی را نشان می‌دهد.

“ایگناسیو سیراک” مدیر بخش تئوری مؤسسه ماکس پلانک برای اپتیک کوانتومی نیز این ظرفیت بالقوه را تشخیص می‌دهد. نمونه‌های اولیه رایانه‌های کوانتومی موجود و رایانه‌های کوانتومی‌ای که در آینده نزدیک توسعه خواهند یافت ممکن است به ابزاری کلیدی برای پرداختن به پرسش‌های اساسی تبدیل شوند. این آزمایش هنوز بسیار مقدماتی است، اما یک گام مهم رو به جلو محسوب می‌شود.

سیراک به مرکز رسانه علمی (SMC) می‌گوید: «شبیه‌سازی‌ها می‌توانند اطلاعاتی در مورد نحوه رفتار سیاه چاله‌ها ارائه دهند به‌ویژه زمانی که سیاه چاله‌ها را از دیدگاه فیزیک کوانتومی مطالعه می‌کنیم».

“کارلوس سابین” پژوهشگر فیزیک نظری در دانشگاه مستقل خودمختار مادرید می‌گوید درک این نکته مهم است که هیچ کرم چاله‌ای در این آزمایش ایجاد نشده است.

او می‌گوید: «ما در مورد یک قیاس صحبت می‌کنیم.» اما او به کمک ارزشمند دیگری از این آزمایش اشاره کرد: یک فرهنگ لغت که چه اتفاقی برای کیوبیت (واحد پایه‌ای پردازش کوانتومی و رمزنگاری کوانتومی بوده و مشابه بیت در رایانه‌های کلاسیک می‌باشد) رخ می‌دهد را به زبان آن چه برای کیوبیت شبیه‌سازی شده یا مجازی رخ می‌دهد ترجمه می‌کند. نویسندگان تکنیک‌هایی را معرفی می‌کنند که نشان می‌دهد چگونه آزمایش می‌تواند به طور موثر به یک کیوبیت گسترش یابد.

بنابراین، آزمایشی که از قابلیت‌های یک رایانه معمولی فراتر می‌رود قادر است با استفاده از رایانه‌های کوانتومی با احتمال خطای کمتر انجام شود که انتظار داریم در چند سال آینده صورت گیرد. در هر صورت، این آزمایش نشان می‌دهد که حتی با تنها چند کیوبیت و احتمال خطای فعلی رایانه‌های کوانتومی می‌توان کار‌های جالبی انجام داد.

“آدام آر براون” و “لئونارد ساسکیند” دو استاد فیزیک نظری در دانشگاه استنفورد در کالیفرنیا که با بخش محاسبات کوانتومی گوگل نیز همکاری می‌کنند مقاله دومی را در نشریه “نیچر” منتشر کردند که اصل هولوگرافیک را به عنوان “راهنمای تلاش ما برای درک چگونگی دو نظریه مشهور فیزیک مدرن – مکانیک کوانتومی و نسبیت عام را با یکدیگر ترکیب می‌کند”.

این دو فیزیکدان هم چنین بر اهمیت انتقال اطلاعات تاکید می‌کنند و می‌گویند: «در توصیف غیر گرانشی ظاهر پیام رمزگذاری نشده در جای دیگر پیش‌بینی بدون ابهام مکانیک کوانتومی است، اما تا حدودی مرموز است. شگفتی این نیست که پیام به نحوی رسیده بلکه نکته مهم آن است که به صورت رمزگشایی نشده رسیده است. با این وجود، این موضوع به راحتی از توصیف گرانشی قابل درک است: پیام رمزگشایی نشده از طرف دیگر می‌رسد، زیرا از کرم چاله عبور کرده است».

براون و ساسکیند می‌نویسند: «در آینده ممکن است انتظار داشته باشیم که تکنیک‌های ارتباط کوانتومی اختراع شود که تجزیه و تحلیل شان با استفاده از ابزار‌های معمولی بسیار دشوار است، اما از دوگانگی هولوگرافیک به عنوان ابزاری قدرتمند برای تجزیه و تحلیل و کشف استفاده می‌کنند».