Im Quantencomputer simuliertes Wurmloch könnte die Theorie untermauern, dass das Universum ein Hologramm ist
Physiker haben mit einem Quantencomputer das erste holografische Wurmloch simuliert und Informationen durch es transportiert.
Das Baby“ Wurmloch, das auf dem Quantencomputer Sycamore 2 von Google erstellt wurde, wurde nicht durch Schwerkraft, sondern durch Quantenverschränkung erzeugt – die Verknüpfung zweier Teilchen, sodass die Messung des einen augenblicklich das andere beeinflusst. Durch die Verschränkung von Qubits oder Quantenbits in winzigen supraleitenden Schaltkreisen konnten Physiker ein Portal schaffen, durch das Informationen gesendet wurden. Das Experiment hat das Potenzial, die Hypothese zu untermauern, dass unser Universum ein durch Quanteninformationen zusammengefügtes Hologramm ist, und hat seine Ergebnisse am 30. November in der Zeitschrift veröffentlicht Natur (öffnet in neuem Tab).
„Dies ist ein kleiner Schritt, um die Quantengravitation im Labor zu untersuchen“, sagte der Hauptautor Maria Spiropulu (öffnet in neuem Tab), ein Physiker am California Institute of Technology, sagte auf einer Pressekonferenz am 30. November. „Als wir die Daten sahen, hatte ich eine Panikattacke. Wir sind auf und ab gesprungen. Aber ich versuche, auf dem Boden zu bleiben.“
Verwandt: Ein jenseitiger „Zeitkristall“, der im Google-Quantencomputer hergestellt wurde, könnte die Physik für immer verändern
Wurmlöcher sind hypothetische Tunnel durch die Raumzeit, die miteinander verbunden sind Schwarze Löcher An jedem ende. In der Natur trägt die immense Schwerkraft der beiden Schwarzen Löcher dazu bei, die Bedingungen des Wurmlochs zu schaffen, aber das im Experiment simulierte Wurmloch ist etwas anders: Es ist ein Spielzeugmodell, das auf einem Prozess namens Quantenteleportation beruht, um zwei Schwarze zu imitieren Löcher und senden Sie die Informationen über das Portal. Diese Prozesse scheinen ziemlich unterschiedlich zu sein, aber laut den Forschern sind sie möglicherweise gar nicht so unterschiedlich. In einer Hypothese namens holographisches Prinzip, der Gravitationstheorie, die um Singularitäten von Schwarzen Löchern zusammenbricht (Einsteins generelle Relativität) könnte tatsächlich aus den seltsamen Regeln hervorgehen, die sehr kleine Objekte wie Qubits (Quantenmechanik) – und ihr Experiment könnte erste Hinweise darauf liefern, dass dies der Fall ist.
Zum Glück sind die Schwarzloch-Analoga im Quantencomputer nicht dasselbe wie die alles verzehrenden Monster, die im Weltraum lauern. Die Forscher sind sich jedoch nicht sicher, ob sie die Schwarzen Löcher genau genug simuliert haben, um sie als seltsame Varianten der Realität zu betrachten, und bezeichnen ihre Quantencomputer-Rifts letztendlich als „emergierende“ Schwarze Löcher.
„Es sieht aus wie eine Ente; es läuft wie eine Ente; es quakt wie eine Ente. Das können wir an dieser Stelle sagen“, Co-Autor Josef Lykken, ein Physiker und stellvertretender Forschungsdirektor bei Fermilab, sagte auf der Pressekonferenz. „Wir haben etwas, das in Bezug auf die Eigenschaften, die wir betrachten, wie ein Wurmloch aussieht.“
Einsteins Vorhersagen
Die Idee von Wurmlöchern entstand erstmals aus der Arbeit von Albert Einstein und seinem Kollegen Nathan Rosen, die 1935 in einer berühmten Arbeit demonstrierten, dass die allgemeine Relativitätstheorie es erlaubte, Schwarze Löcher in Brücken zu verbinden, die augenblicklich große Entfernungen verbinden konnten. Die Theorie war ein Versuch, eine alternative Erklärung für Punkte im Raum anzubieten, die als Singularitäten bezeichnet werden: Die Kerne von Schwarzen Löchern, in denen sich die Masse unendlich an einem einzigen Punkt konzentriert hat, wodurch ein Gravitationsfeld erzeugt wird, das so stark ist, dass die Raumzeit ins Unendliche und Einsteins Gleichungen verzerrt wird Zusammenbruch. Wenn irgendwie Wurmlöcher existierten, argumentierten Einstein und Rosen, dann hielt die allgemeine Relativitätstheorie stand.
Einen Monat vor der berühmten Veröffentlichung von 1935 hatten Einstein, Rosen und ihr Kollege Boris Podolsky eine weitere geschrieben. In dieser Forschung machten sie eine Vorhersage, die im Gegensatz zu ihrer späteren Arbeit zur allgemeinen Relativitätstheorie nicht dazu gedacht war, die Quantentheorie zu stärken, sondern sie wegen ihrer lächerlichen Implikationen zu diskreditieren. Wenn die Regeln der Quantenmechanik wahr wären, skizzierten die Physiker, könnten die Eigenschaften zweier Teilchen untrennbar miteinander verbunden werden, so dass die Messung des einen augenblicklich das andere beeinflussen würde, selbst wenn die beiden durch große Entfernungen getrennt wären. Einstein spottete über den Prozess, der heute als Quantenverschränkung bekannt ist, und nannte ihn „gespenstische Fernwirkung“, aber er wurde seitdem beobachtet und wird häufig von Physikern verwendet.
Obwohl er diese beiden bahnbrechenden Vorhersagen hervorgebracht hat, hätte ihn Einsteins Abneigung gegen die inhärente Ungewissheit und Verrücktheit der Quantenphysik für eine wichtige Erkenntnis blind machen können: dass die beiden Vorhersagen tatsächlich miteinander verbunden sein könnten. Durch die Trennung der allgemeinen Relativitätstheorie und der Quantentheorie haben die Physiker kein Verständnis für die Bereiche, in denen das sehr Große und das sehr Kleine kollidieren – wie das Innere von Schwarzen Löchern oder der unendlich kleine Punkt, auf den sich das Universum im Moment des Großen konzentrierte Knall.
Holografisches Prinzip
Seit Einstein diese Sackgasse erreicht hat, hat die Suche danach, wo das Große und das Kleine zusammenpassen – eine Theorie von allem – die Physiker dazu gebracht, alle möglichen farbenfrohen Vorschläge zu machen. Eines ist das holografische Prinzip, das besagt, dass das gesamte Universum eine holografische 3D-Projektion von Prozessen ist, die sich auf einer entfernten 2D-Oberfläche abspielen.
Verwandt: Ein im Labor gezüchtetes Schwarzes Loch könnte Stephen Hawkings herausforderndste Theorie als richtig erweisen
Diese Idee hat ihre Wurzeln in Stephen Hawkings Arbeit in den 1970er Jahren, die das offensichtliche Paradoxon aufwarf, dass Schwarze Löcher, wenn sie tatsächlich Hawking-Strahlung (Strahlung von virtuellen Teilchen, die zufällig in der Nähe von Ereignishorizonten auftauchen) ausstrahlten, schließlich verdampfen würden und damit gegen eine wichtige Regel verstoßen würden von Quantenmechanik, dass Informationen nicht zerstört werden können. Allgemeine Relativitätstheorie und Quantenmechanik schienen nun nicht mehr nur unvereinbar; Trotz ihrer vielen unglaublich genauen Vorhersagen könnten sie sich sogar irren.
Um dieses Problem zu lösen, nutzten Befürworter der Stringtheorie, die darauf abzielten, Quantenmechanik und Relativitätstheorie in Einklang zu bringen, Beobachtungen, dass die in einem Schwarzen Loch enthaltenen Informationen mit der 2D-Oberfläche seines Ereignishorizonts (dem Punkt, hinter dem nicht einmal Licht entweichen kann) verknüpft waren seine Anziehungskraft). Sogar die Informationen über den Stern, der das Schwarze Loch geschaffen hat, wurden in Schwankungen auf dieser Horizontoberfläche verwoben, bevor sie auf Hawking-Strahlung kodiert und vor der Verdampfung des Schwarzen Lochs verschickt wurden.
In den 1990er Jahren erkannten die theoretischen Physiker Leonard Susskind und Gerard ‚t Hooft, dass die Idee hier nicht aufhören muss. Wenn alle Informationen eines 3D-Sterns auf einem 2D-Ereignishorizont dargestellt werden könnten, wäre das Universum – das seinen eigenen expandierenden Horizont hat – vielleicht dasselbe: Eine 3D-Projektion von 2D-Informationen.
Aus dieser Perspektive könnten die beiden unzusammenhängenden Theorien der Allgemeinen Relativitätstheorie und der Quantenmechanik überhaupt nicht voneinander getrennt sein. Die Gravitationsverzerrung der Raumzeit, zusammen mit allem anderen, was wir sehen, könnte stattdessen wie eine Hologrammprojektion entstehen, die aus den winzigen Wechselwirkungen winziger Partikel auf der niederdimensionalen Oberfläche eines entfernten Horizonts schimmernd entsteht.
Prüfung auf Wurmlöcher
Um diese Ideen auf die Probe zu stellen, wandten sich die Forscher an Googles Sycamore 2-Computer und luden ihn mit einem Bare-Bones-Modell eines einfachen holografischen Universums, das an beiden Enden zwei quantenverschränkte schwarze Löcher enthielt. Nachdem sie eine Eingabenachricht in das erste Qubit kodiert hatten, sahen die Forscher, wie die Nachricht in Kauderwelsch zerlegt wurde – eine Parallele dazu, wie sie vom ersten Schwarzen Loch verschluckt wurde – bevor sie am anderen Ende unverschlüsselt und intakt wieder heraussprang, als ob sie vom Qubit ausgespuckt worden wäre zweite.
„Die Physik, die hier vor sich geht, ist im Prinzip, wenn wir zwei Quantencomputer hätten, die sich auf verschiedenen Seiten der Erde befinden, und [if] Wenn wir diese Technologie ein wenig verbessern, könnten Sie ein sehr ähnliches Experiment durchführen, bei dem die Quanteninformation in unserem Labor in Harvard verschwand und im Labor und am Caltech auftauchte“, sagte Lykken. „Das wäre beeindruckender als das, was wir tatsächlich gemacht haben ein einzelner Chip. Aber wirklich, die Physik, über die wir hier sprechen, ist in beiden Fällen dieselbe.“
Der überraschende Aspekt des Wurmloch-Tricks ist nicht, dass die Nachricht in irgendeiner Form durchgekommen ist, sondern dass sie vollständig intakt und in der gleichen Reihenfolge herausgekommen ist, in der sie eingetreten ist – wichtige Hinweise darauf, dass sich das Experiment wie ein physisches Wurmloch verhält und dass physische Wurmlöcher, wiederum könnten verstrickt sein.
Die Forscher stellten fest, dass die Informationen eine winzige Lücke durchquerten, nur wenige Faktoren größer als die kürzeste vorstellbare Entfernung in der Natur, die Planck-Länge. Künftig wollen sie Experimente mit größerer Komplexität entwerfen, auf fortschrittlicherer Hardware durchführen und Codes über größere Entfernungen senden. Während der Übergang vom Senden von Informationen durch ihr Wurmloch zum Senden von etwas Physischem wie einem subatomaren Teilchen kein großer theoretischer Sprung ist, sagen sie, würde es eine Dichte von Qubits erfordern, die groß genug ist, um ein kleines Schwarzes Loch zu erzeugen.
„Experimentell werde ich Ihnen sagen, dass es sehr, sehr weit weg ist“, sagte Spiropulu. „Die Leute kommen zu mir und fragen mich: ‚Kannst du deinen Hund in das Wurmloch stecken?‘ Nein, das ist ein riesiger Sprung.“