Ein Quantencomputer hat erstmals ein Wurmloch simuliert

Forscher haben mit Googles Quantencomputer Sycamore erstmals ein vereinfachtes Wurmloch simuliert und eine Quanteninformation hindurchgeschickt.

von Lea Kran

Mit einem Quantencomputer wurde erstmals ein dreidimensionales Wurmloch simuliert. In diesem Fall bezieht sich „holografisch“ auf eine Möglichkeit, physikalische Probleme mit Quantenmechanik und Gravitation zu vereinfachen, nicht auf ein buchstäbliches Hologramm. Simulationen wie diese können uns also helfen zu verstehen, wie wir diese beiden Konzepte in die Quantentheorie der Gravitation integrieren können – vielleicht die schwierigste und wichtigste Problem in der Physik jetzt.

Sowohl die Quantenmechanik, die die sehr kleine Relativitätstheorie regelt, als auch die allgemeine Relativitätstheorie, die die Gravitation und die sehr großen beschreibt, sind auf ihren jeweiligen Gebieten außerordentlich erfolgreich, aber diese beiden grundlegenden Theorien passen nicht zusammen. Diese Inkompatibilität wird besonders deutlich in Bereichen, in denen beide Theorien gelten sollten, wie etwa in und um schwarze Löcher.

Diese Regionen sind außerordentlich komplex, und hier kommt die Stereoskopie ins Spiel. Es ermöglicht Physikern, ein weniger komplexes System zu erstellen, das dem ursprünglichen System entspricht, ähnlich wie ein 3D-Hologramm 3D-Details anzeigen kann.

Maria Spiropoulou vom Caltech und Kollegen verwendeten den Quantencomputer Sycamore von Google, um ein dreidimensionales Wurmloch zu simulieren – einen Tunnel, der durch die Raumzeit verläuft und an beiden Enden schwarze Löcher aufweist. Sie simulierten eine Art Wurmloch, durch das eine Nachricht theoretisch reisen könnte, und untersuchten den Prozess, durch den eine solche Nachricht die Reise machen könnte.

In einem echten Wurmloch würde diese Reise weitgehend durch die Schwerkraft vermittelt, aber ein holografisches Wurmloch verwendet Quanteneffekte als Ersatz für die Schwerkraft, um die Relativität aus der Gleichung zu entfernen und das System zu vereinfachen. Das bedeutet, dass eine Nachricht, wenn sie ein Wurmloch passiert, tatsächlich einer Quantenteleportation unterzogen wird – ein Prozess, bei dem Informationen über Quantenzustände zwischen zwei quantenverschränkten Teilchen übertragen werden können. Für diese Simulationen war die „Nachricht“ ein Signal, das einen Quantenzustand enthielt – ein Qubit in einer Überlagerung von Einsen und Nullen.

„Das Signal verblasst, wird zu Brei, wird zu einem Durcheinander und kommt dann wieder zusammen und sieht auf der anderen Seite sauber aus“, sagt Speropoulou. “Selbst in diesem kleinen System können wir ein Wurmloch unterstützen und genau das beobachten, was wir erwartet haben.” Dies wird durch Quantenverschränkung zwischen Schwarzen Löchern verursacht, wodurch Informationen, die an einem Ende des Wurmlochs einfallen, am anderen erhalten bleiben. Dieser Prozess ist einer der Gründe, warum ein Quantencomputer für diese Art von Experimenten so nützlich ist.

Die Simulation verwendete nur neun Quantenbits oder Qubits, daher war die Wiedergabetreue gering. Wie ein aus der Ferne aufgenommenes Bild eines Vogels hatte dieses die gleiche allgemeine Form wie das Objekt, das es darstellte, aber die Simulation musste sorgfältig modifiziert werden, um die Eigenschaften eines Wurmlochs darzustellen. „Wenn Sie das als Wurmloch sehen wollen, gibt es eine Reihe von Ähnlichkeiten, aber es ist definitiv eine Frage der Interpretation“, sagt Adam Brown von der Stanford University in Kalifornien, der an dieser Arbeit nicht beteiligt war.

Die Verwendung eines leistungsfähigeren Quantencomputers könnte helfen, das Bild zu fokussieren. „Dies ist nur ein kleines Wurmloch, ein erster Schritt, um Theorien der Quantengravitation zu testen, und während Quantencomputer expandieren, müssen wir anfangen, größere Quantensysteme zu verwenden, um zu versuchen, die größeren Ideen in der Quantengravitation zu testen“, sagt Speropoulou.

Dies ist von entscheidender Bedeutung, da einige Theorien der Quantengravitation nur mit klassischem Computing allein schwer oder gar nicht vollständig zu verstehen sind. „Wir wissen, dass die Quantengravitation sehr verwirrend ist, es kann sehr schwierig sein, Vorhersagen aus der Theorie zu extrahieren, und es wäre ein Traum, etwas auf einem Quantencomputer zu tun, das Ihnen Dinge sagt, die Sie noch nicht über die Quantengravitation wissen.“ sagt Braun. . „Das ist es nicht – es ist ein sehr kleiner Quantencomputer, sodass alles daran perfekt auf einem Laptop simuliert werden kann, ohne dass sich der Lüfter einschaltet.“

Aber die Ähnlichkeit der Simulation Die Existenz eines echten Wurmlochs deutet darauf hin, dass es möglich sein könnte, Quantencomputer zu verwenden, um Ideen über die Quantengravitation zu formulieren und zu testen und vielleicht schließlich einen Sinn daraus zu machen.