24.12.2022. - Исследователи обсуждают новую модель квантовой компьютерной червоточины

Исследователи обсуждают новую модель квантовой компьютерной червоточины

Недавняя публикация в Nature продолжает генерировать заголовки в связи с выводами о том, что ученые из Калифорнийского технологического института разработали модель проходимой червоточины в системе квантовой обработки Google Sycamore. Penn Today поговорила с физиками Виджаем Баласубраманяном и Джонатаном Хекманом с факультета физики и астрономии Школы искусств и наук, чтобы лучше понять последствия этой работы. Они объяснили несколько ключевых концепций и поделились своими мыслями и мнениями по некоторым основным выводам.

Баласубраманиан: Эти исследователи из Калифорнийского технологического института смогли представить на квантовом компьютере условия, подобные червоточинам. Они использовали квантовый компьютер для создания простой версии модели, часто используемой для понимания сильно коррелированных материалов, то есть материалов, в которых основные компоненты сильно влияют на поведение друг друга. Это так называемая модель SYK, названная в честь физиков конденсированного состояния, которые первоначально предложили ее, Субира Сачдева и Цзиньу Е, а также Алексея Китаева, которые позже модифицировали ее.

Известно, что эта модель SYK имеет эквивалентное описание в терминах определенной теории гравитации во вселенной только с одним пространственным измерением. В статье Nature исследователи построили квантовую систему, которая реализовала урезанную версию модели SYK и продемонстрировала характерную динамику, которая была бы связана с проходимой червоточиной в альтернативном и эквивалентном гравитационном описании.

Значит, они не сделали настоящую червоточину?

Баласубраманиан: Нет, они не создали червоточину или короткое соединение между двумя удаленными точками в космосе. Но то, чего они смогли здесь достичь, по-прежнему очень впечатляет и является хорошим шагом вперед для квантовых вычислений.

Что вы подразумеваете под квантовыми вычислениями и зачем они нужны для этого эксперимента?

Хекман: Ну, в отличие от обычной компьютерной системы, которая использует двоичные биты, соответствующие 0 и 1, при приеме, обработке, хранении и передаче информации, квантовая система имеет «суперпозицию» 0 и 1, то есть ее биты, известные как кубиты, способны одновременно существовать как ноль или единица. Итак, надежда и обещание квантового компьютера заключается в том, что вы сможете выполнять вычисления, которые вы не смогли бы выполнить на классической машине, если бы у вас было достаточно кубитов.

И, насколько я понимаю, эти исследователи были мотивированы тем, что известно как соответствие анти-де Ситтера/конформной теории поля (AdS/CFT), которое, как и модель SYK, полезно для изучения явлений в системах, компоненты которых сильно взаимодействуют друг с другом. . Но соответствие AdS/CFT особенно полезно для изучения эквивалентности между двумя различными типами физических теорий.

Баласубраманиан: Соответствие AdS/CFT можно уподобить выражению идеи на одном языке, а затем использованию словаря и книги по грамматике для передачи той же идеи в совершенно другом наборе звуков и грамматических приемов, связанных с другим языком.

Говоря более подробно, соответствие AdS/CFT дает словарь и набор физических правил для перевода явлений в определенных видах многомерных гравитирующих вселенных (так называемых пространствах анти-де Ситтера) в явления в других системах более низких измерений ( так называемые конформные теории поля), которые не испытывают гравитации. Это соответствие на самом деле имеет корни в устоявшемся понятии в физике, восходящем к концу 19-го века, которое мы называем дуальностью, но новое воплощение дуальности является одним из самых важных открытий в физике в последней четверти. век.

Поначалу кажется невероятным, а может быть, и невозможным, что теории с разным числом измерений могут быть эквивалентны. В конце концов, вы могли бы подумать, что размерность — это своего рода основа природы физики; обычно вы чувствуете, что измерения пространства подобны сцене, по которой вы можете идти назад, вперед, влево, вправо, вверх или вниз. Но оказалось, что мы можем построить примеры, где, например, у вас есть какое-то взаимодействие. происходит в трехмерной теории, не содержащей гравитации, и вы можете показать, что это эквивалентно какому-то другому процессу в четырехмерной теории с гравитацией.

Хекман: Исходя из этого, исследователи из Калифорнийского технологического института ожидали, что они смогут использовать квантовый процессор для телепортации или перевода фрагментов квантовой информации из одного региона в другой без потери точности сигнала. Через дуальность AdS/CFT в эквивалентном гравитационном описании с дополнительным измерением можно сказать, что сигнал прошел через червоточину. Но в реальной машине, которую они использовали, ее нет.

На самом деле, есть версия этой статьи в Nature, которую вы могли бы написать, в которой нет абсолютно никаких ссылок на квантовую гравитацию или модель AdS/CFT.

Как же так? Разве это не сводит на нет смысл изучения сред, подобных червоточинам, для разбора информации?

Хекман: По сути, идея здесь в том, что гравитация кодирует информацию с помощью своего рода голограммы. В реальной голограмме у вас может быть двумерная система (например, изображение, выгравированное на поверхности), которую можно использовать для полного кодирования исходной трехмерной формы. Точно так же в дуальности AdS/CFT информация гравитационной системы более высокого измерения закодирована в системе более низкого измерения.

Но с точки зрения того, что они сделали, здесь все сложно, потому что они мотивировали эксперимент, используя некоторые особые соображения гравитации: в частности, эту идею конфигурации гравитации червоточины. А чтобы получить червоточину, нужно создать мост между двумя черными дырами. Рассматриваемые черные дыры не существуют в нашем мире. Скорее, они присутствуют в альтернативном, «двойственном» описании их системы квантовых вычислений в терминах теории гравитации в другом количестве измерений.

Таким образом, в некотором смысле они использовали это «двойственное» понятие гравитации, чтобы представить проходимый мост или червоточину, соединяющую две различные квантово-механические системы, и преобразовали это обратно в эквивалентные явления в реальной системе, которую они построили на своем квантовом компьютере.

Большая часть средств массовой информации, освещающих эту статью в Nature, предполагает, что исследователи создали червоточину. Что вы думаете об этих заявлениях?

Хекман: Намеки на то, что в нашем мире действительно происходит обход червоточины, вводят в заблуждение. Авторы статьи и освещающая ее пресса занимаются очень безответственным представлением работы.

Эта конкретная модель гравитации работает лучше всего, когда количество кубитов действительно велико, например, оно приближается к бесконечности, что сейчас невозможно, поэтому исследователи решают эту проблему, используя сеть глубокого обучения, чтобы помочь им построить достаточно маленький квантовый объект. система, которая сохраняет достаточно гравитационных свойств, чтобы работать в системе с девятью кубитами и все еще остается верной. Итак, тогда мы должны спросить, собираетесь ли вы узнать что-нибудь о квантовой гравитации из системы Сикамор в этом случае?

Я имею в виду, априори, вы могли бы провести весь эксперимент, ничего не говоря о переписке AdS/CFT и обратной связи с червоточинами. На самом деле весь эксперимент можно было провести на классической машине; просто это заняло бы гораздо больше времени.

Баласубраманиан: И с точки зрения созданной в лаборатории червоточины, это больше похоже на версию червоточины от Pixar, за исключением того, что мы видим на экране. Это больше похоже на необработанный код, работающий в фоновом режиме; оно не было преобразовано в расшифровываемое изображение, но теоретически могло бы быть. Изображение может выглядеть как проходимая червоточина, но это не настоящая червоточина.

В очередной раз они не построили червоточину в нашем мире. Чтобы сказать, что они это сделали, требуется некоторая умственная гимнастика. По сути, вы должны рассматривать гравитационное «двойственное» описание их системы как реальный мир.

Несмотря на это, они все же произвели увлекательное квантовое явление в системе, которую очень сложно смоделировать на компьютере. Это шаг вперед в моделировании сложных взаимодействующих систем в квантовых компьютерах, и это интересно, потому что одним из наиболее полезных приложений для квантовых вычислений является моделирование физических взаимодействий, таких как свертывание белков в живых клетках. Это невероятно сложно сделать на обычной машине, поэтому есть стимул к совершенствованию этой технологии, помимо получения информации о теоретических физических моделях.

Источник