فیزیکدانان برای نخستین‌بار آزمایشی کوانتومی‌ای تمهید دیدند که به آنها امکان می‌دهد پویایی (داینامیک) یا رفتار کرم چاله نظری را مطالعه کنند.
البته این آزمایش کرم‌چاله‌ای واقعی (به معنای گسیختگی فضا – زمانی) ایجاد نکرده است، بلکه به پژوهشگران این اجازه را داد تا ارتباط بین کرمچالههای نظری و فیزیک کوانتومی را بررسی کنند، یا بهتر بگویم به پیش‌بینی گرانش کوانتومی بپردازند.
گرانش کوانتومی به مجموعه‌ای از نظریه‌ها اشاره دارد که مترصد پیوند گرانش با فیزیک کوانتومی هستند، یا به بیانی دو توصیف بنیادی و کاملاً مطالعه شده از طبیعت که ذاتاً با یکدیگر ناسازگار به نظر می‌رسند.
بیشتر بخوانید: نسل بعدی رایانه‌های کوانتومی در راه است؛ فیزیکدان‌ها راه چاره را پیدا کردند!
مشاهده رفتار کرم چاله با پردازنده کوانتومی
این پژوهش در 1 دسامبر (آذرماه) در مجله Nature منتشر خواهد شد. نویسندگان مسئول این مطالعه دانیل جافریس از دانشگاه هاروارد و الکساندر زلوکاپا، دانشجوی سابق مقطع کارشناسی در کالتک (دانشگاه کالیفرنیا) هستند که این پروژه را برای پایان نامه کارشناسی خود با سپیروپولو آغاز کرد که از آن زمان به بعد تحصیلات تکمیلی خود را در دانشگاه ام‌ای‌تی (MIT) ادامه می‌دهد.
ماریا سپیروپولو (Maria Spiropulu)، پژوهشگر اصلی برنامه پژوهشی وزارت انرژی ایالات متحده، می‌گوید:
«ما سامانه‌ای کوانتومی پیدا کردیم که ویژگی‌های حیاتی کرم‌چاله‌ٔ گرانشی را نشان می‌دهد، اما به اندازه کافی کوچک و ساده است که بتوان آن را روی سخت‌افزار کوانتومی امروزی پیاده‌سازی کرد.»
استاد فیزیک شانگ یی چن در کالتک گفت:
«این کار گامی به سوی یک برنامه بزرگتر برای آزمایش فیزیک گرانش کوانتومی با استفاده از یک کامپیوتر کوانتومی است. مانند سایر آزمایش‌های برنامه‌ریزی شده که ممکن است اثرات گرانش کوانتومی را در آینده با استفاده از صحت‌سنجیِ کوانتومی بررسی کنند، جایگزین کاوش‌های مستقیم گرانش کوانتومی نمی‌شود، اما بستری آزمایشی قدرتمندی را برای اعمال ایده‌هایِ گرانش کوانتومی ارائه می‌دهد!»
کرم چاله چیست که به مشاهده رفتار کرم چاله بپردازیم و چه اهمیتی دارد؟
کرمچالهها پل‌هایی هستند که بین دو منطقه دورافتاده در فضا-زمان قرار دارند. آنها به صورت تجربی مشاهده نشده‌اند، اما دانشمندان در مورد وجود و ویژگی‌ِ آنها برای چیزی نزدیک به یک قرن نظریه پردازی کرده‌اند و یکی از اهمیت مطالعه رفتار کرم چاله همین است که ارتباط آن با دنیای کوانتومی و گرانش را بهتر درک کنیم!
در سال 1935، آلبرت انیشتین و ناثان روزین کرمچالهها را تونل‌هایی در بافتار فضا-زمانی بر اساس نظریه نسبیت عام انیشتین توصیف کردند که گرانش را به عنوان انحنایِ فضا-زمان توصیف می‌کرد. پژوهشگران کرمچالهها را پل‌های انیشتین-رزین (ER) به نام دو فیزیکدانی که نظریه‌پرداز‌های مهم این نظریه بودند می‌نامند، در حالی که اصطلاح کرمچاله را جان ویلرِ فیزیکدان در دهه 1950 ابداع کرد.
این تصور که بین کرمچالهها و فیزیک کوانتومی، به‌ویژه پدیده درهم‌تنیدگی (پدیده‌ای که در آن دو ذره می‌توانند در فواصل بسیار زیاد به هم متصل بمانند)، ممکن است پیوندی وجود داشته باشد، برای اولین بار در تحقیقات نظری خوان مالداسنا و لئونارد ساسکیند در سال 2013 مطرح شد.
فیزیکدانان حدس زدند که کرمچالهها ( یا “ER”) که معادل درهم‌تنیدگی بودند. همچنین به نام “EPR” پس از آلبرت انیشتین، بوریس پودولسکی و ناثان روزین، که برای اولین بار این مفهوم را مطرح کرد، شناخته می‌شود. در اصل، این کار نوع جدیدی از پیوند نظری بین جهان گرانش و فیزیک کوانتومی ایجاد کرد. اسپیروپولو درباره فرآیند ER = EPR می‌گوید: «ایده‌ای بسیار جسورانه و پوئتیک بود!»
بیشتر بخوانید: گذر درهم‌تنیدگی کوانتومی از فلسفه تا فیزیک ؛ آیا انیشتین اشتباه می‌کرد؟
ادامه نظری پردازی‌ها در خصوص رفتار کرم چاله
در سال 2017، جافریس به همراه همکارانش پینگ گائو و آرون وال، ایده ER = EPR را نه فقط به کرمچالهها، بلکه به کرمچالههای قابل‌گذر تسری دادند. دانشمندان سناریویی را ساختند که در آن انرژی دافعه منفی یک کرمچاله را به اندازه کافی باز نگه می‌دارد که چیزی / داده‌ای را از یک سر به سر دیگر عبور دهد. پژوهشگران نشان دادند که این توصیف گرانشی از یک کرم چاله قابل‌گذر معادل فرآیندی است که به عنوان تله‌پورت کوانتومی شناخته می‌شود.
در تله‌پورت کوانتومی، پروتکلی که به طور تجربی در فواصل طولانی از طریق فیبر نوری و به‌روی هوا نشان داده شده است، اطلاعات را با استفاده از اصول درهم‌تنیدگی کوانتومی در فضا منتقل می‌سازد.
کار حاضر هم‌ارزی کرمچالهها را با تله‌پورت کوانتومی بررسی می‌کند. گروه تحت رهبری کلتک اولین آزمایش‌هایی را انجام دادند تا این ایده را بیازمایند که اطلاعات سفر از یک نقطه در فضا به نقطه دیگر را می‌توان به زبان گرانش، کرمچالهها! و یا به زبان فیزیک کوانتومی، درهم‌تنیدگی کوانتومی توصیف کرد یا خیر!
یافتهٔ حیاتی دیگری که الهام‌بخش آزمایش‌های احتمالی بود در سال 2015 رخ داد، زمانی که الکسی کیتایف از کلتک، استاد فیزیک نظری و ریاضیات رونالد و ماکسین لیند، نشان دادند که یک سیستم کوانتومی ساده می‌تواند همان دوگانگی را که بعداً توسط گائو، جافریس و وال توصیف شد، نشان دهد. و همچنین دینامیک کوانتومی مدل معادل اثرات گرانش کوانتومی است.
این مدل اس‌وای‌کی (Sachdev-Ye-Kitaev) به نام‌های کیتائِو، سوبیر ساشِد و جین‌وو یه، نام‌گذاری شده است. دو پژوهشگری که روی توسعه آن کار کرده‌اند و باعث شدند تا پژوهشگران دیگر قادر باشند پیشنهاد کنند که برخی از ایده‌های کرمچاله نظری را می‌توان با انجام آزمایش‌هایی عمیق‌تر با پردزانده‌های کوانتومی مطالعه کرد.
اهمیت مدل اس‌وی‌کی در مشاهده رفتار کرم چاله
در ادامه این ایده‌ها، در سال 2019، جافریس و گائو نشان دادند که با درهم‌تنیدگی دو مدل SYK، پژوهشگران باید بتوانند انتقالِ دور کرم‌چاله‌ای انجام دهند و بنابر آن، خواص پویای مورد انتظار از کرمچالههای قابل‌گذر را هم تولید و هم اندازه‌گیری کنند.
در مطالعه جدید، گروه فیزیکدانان برای نخستین‌بار چنین آزمایشی را انجام دادند. آنها از یک مدل اس‌وای‌کی- مانندْ نوباوه (Baby) استفاده کردند که برای حفظِ خواصِ گرانشی آماده شده بود، و پویایی کرمچاله را روی یک پردازنده کوانتومی در گوگل، یعنی پردازنده کوانتومی Sycamore مشاهده کردند (پردازنده‌ای که معادل 53 کیوبیت قدرت دارد). برای انجام این کار، در ابتدا گروه می‌بایست مدل SYK را به شکل ساده شده‌اش کاهش می‌داد، موفقیتی که با استفاده از ابزارهای یادگیری ماشین در رایانه‌های سیلیکونی به دستش آوردند.
سپیروپولو می‌گوید:
«ما از تکنیک‌های یادگیری ماشین برای یافتن و آماده‌سازی سیستم کوانتومی ساده‌ای نظیر اس‌وای‌کی استفاده کردیم که می‌توان آن را در معماری‌های کوانتومی کنونی رمزگذاری کرد و خواص گرانشی را در آن حفظ کرد. به عبارت دیگر، ما توصیف مایکروسکوپیکِ سامانه کوانتومی اس‌وای‌کی را ساده‌سازی کردیم و مدل موثر حاصل را که روی پردازنده کوانتومی یافتیم، مطالعه کردیم. شگفتانه آن است که بهینه‌سازی روی یکی از مشخصه‌های مدل، معیارهای دیگر را از بین نبرد!»
او در نظر دارد آزمایش‌های بیشتری انجام دهد تا بینش بهتری در مورد خود مدل بدست آورد. در این آزمایش، پژوهشگران یک کیوبیت (Qbit)ــ معادل کوانتومی بیت (bit) در رایانه‌های سیلیکونی‌ــ را در یکی از سیستم‌های اس‌وای‌کی- مانند خود وارد کردند و متعاقباً داده‌هایِ خروجی را از سیستم دیگری مشاهده کردند. این اطلاعات از طریق تله‌پورت کوانتومی از یک سامانه‌ای کوانتومی به سامانه‌ای دیگر منتقل می‌شد – یا به زبان مکملِ گرانش، اطلاعات کوانتومی از طریق کرمچالههای قابل‌گذر عبور می‌کردند.
بیشتر بخوانید: پیوند فوتونی راه پژوهشگران برای اینترنت کوانتومی تمام سیلیکونی
کرمچالههای قابل‌گذر در مشاهده رفتار کرم چاله
زلوکاپا می گوید:
«ما نوعی انتقالِ کوانتومیِ معادل یک کرمچاله قابل‌گذر را در بُعد گرانشی انجام دادیم. برای انجام این کار، ما مجبور شدیم سیستم کوانتومی را به کوچکترین نمونه‌ای که ویژگی‌های گرانشی را حفظ می‌کند ساده‌سازی کنیم تا بتوانیم آن را روی پردازنده کوانتومی Sycamore گوگل پیاده سازی کنیم».
سامانتا دیویس، یکی از نویسندگان این مقاله، که دانشجوی کارشناسی ارشد در کلتک است، می‌افزاید:
«مدّت زیادی طول کشید تا به چنین نتایجی برسیم و البته از نتیجه آن شگفت زده شدیم!»
جان پرسکیل، استاد فیزیک نظری ریچارد فاینمن در کالتک، می‌گوید:
«اهمیت کوتاه مدت این نوع آزمایش در مطالعه رفتار کرم چاله این است که، چشم‌انداز گرانشی راهی ساده برای درک پدیده‌های کوانتومیِ مرموز چند ذره‌ای ارائه می‌کند. چیزی که در باره این آزمایش جدید گوگل برایم جالب بود این است که از طریق یادگیری ماشین، آنها توانستند این سامانه را به اندازه کافی ساده کنند تا روی ماشینی کوانتومی امروزی قابل شبیه‌سازی باشد و در عین حال دست‌کم شماتیکِ معقولی را از آنچه تصویر گرانشی پیش‌بینی می‌کند در خود حفظ کند.»
فیزیکدانان چطور توانستند کرم چاله را باز نگاه دارند؟
در این مطالعه، فیزیکدانان رفتار کرم چاله مورد انتظار را هم از منظر گرانشی و هم از فیزیک کوانتومی گزارش کردند. به عنوان نمونه، می‌دانیم که اطلاعات کوانتومی را می‌توان به روش‌های گوناگونی دستگاه به دستگاه و یا از راه دور منتقل کرد.
این فرآیند آزمایشی حداقل از برخی جهات معادل آن چیزی است که اگر اطلاعات از طریق یک کرمچاله عبور کند، ممکن است اتفاق بیفتد. برای انجام این کار، گروه کوشید تا با استفاده از پالس‌های انرژی دافعه منفی یا انرژی مثبت، کرمچاله را باز نگه دارد. آنها علائم کلیدی یک کرم چاله قابل‌گذر را تنها زمانی مشاهده کردند که معادل انرژی منفی در آن اعمال شد، و با نحوه رفتار کرمچاله ها مطابقت داشت. سپیروپولو گفت:
«پایداری بالای پردازنده کوانتومی مورد استفاده ما ضروری بود. چرا که اگر میزان خطا تا 50 درصد بیشتر بود، سیگنال‌ها کاملاً مبهم می‌بود. پرسشی که پیش آمد این است که اگر میزان این خطا نصف حال حاضر می‌شد، 10 برابر سیگنال می‌داشتیم؟»
در آینده، پژوهشگران امیدوارند که این کار را به مدارهای کوانتومی پیچیده‌تر گسترش دهند. اگرچه ممکن است هنوز سال‌ها با رایانه‌های کوانتومی واقعی فاصله داشته باشیم، اما این گروه قصد دارد به انجام آزمایش‌هایی از این نوع بر روی پلتفرم‌های محاسباتی کوانتومی موجود ادامه دهد. احتمالاً در آینده پیش‌رو می‌توانیم بهتر و دقیق‌تر به مطالعه رفتار کرم چاله بپردازیم! سپیروپولو می‌گوید:
«رابطه بین درهم‌تنیدگی کوانتومی فضا-زمان و گرانش کوانتومی یکی از مهم‌ترین سؤالات در فیزیک بنیادی و حوزه‌ای فعال در تحقیقات نظری است. ما از برداشتن این گام کوچک در جهت آزمایش این ایده ها بر روی سخت افزار کوانتومی هیجان زده هستیم و به راه خود ادامه خواهیم داد.»
بیشتر بخوانید:
- جابجایی اجسام در هوا با امواج صوتی بدون ارتباط فیزیکی
- قدمی مهم در درمان بیماری آلزایمر ؛ ریاضیات به کمک پزشکان آمد!
دیدگاه شما دربارهٔ مشاهده و مطالعه رفتار کرم چاله ها چیست؟ نظرات‌تان را در بخش کامنت‌ها با تکراتو در میان بگذارید.
منبع:sciencedaily
