HomeKomputerMembuat Lubang Cacing yang Dapat Dilintasi dengan Komputer Kuantum – Google AI...

Membuat Lubang Cacing yang Dapat Dilintasi dengan Komputer Kuantum – Google AI Blog

Facebook
Twitter
Pinterest
WhatsApp

[ad_1]

Lubang cacing —kerutan dalam jalinan ruangwaktu yang menghubungkan dua lokasi berbeda —mungkin tampak seperti fiksi ilmiah. Tetapi apakah mereka ada atau tidak dalam kenyataan, mempelajari objek hipotetis ini bisa menjadi kunci untuk membuat hubungan menggiurkan antara informasi dan materi yang telah membingungkan fisikawan selama beberapa dekade.

Iklan/CFTyang menetapkan kesetaraan antara teori yang menggambarkan gravitasi dan ruangwaktu (dan lubang cacing) di dunia fiksi dengan geometri khusus (AdS) dengan teori kuantum yang tidak mengandung gravitasi sama sekali (CFT).

Di “Dinamika lubang cacing yang dapat dilintasi pada prosesor kuantum”, diterbitkan di Nature hari ini, kami melaporkan kolaborasi dengan para peneliti di Caltech, Harvard, MIT, dan Fermilab untuk mensimulasikan CFT di Prosesor Google Sycamore. Dengan mempelajari teori kuantum pada prosesor, kami dapat memanfaatkan korespondensi AdS/CFT untuk menyelidiki dinamika sistem kuantum yang setara dengan lubang cacing dalam model gravitasi. Prosesor Google Sycamore termasuk yang pertama memiliki ketelitian yang diperlukan untuk melakukan eksperimen ini.

Latar Belakang: Dari Qubit

Korespondensi AdS/CFT ditemukan di akhir serangkaian pertanyaan yang muncul dari pertanyaan: Berapa jumlah maksimum informasi yang dapat ditampung dalam satu wilayah ruang? Jika seseorang bertanya kepada seorang insinyur berapa banyak informasi yang dapat disimpan di pusat data, jawabannya mungkin tergantung pada jumlah dan jenis chip memori di dalamnya. Namun yang mengejutkan, apa yang ada di dalam pusat data pada akhirnya tidak relevan. Jika seseorang menjejalkan semakin banyak chip memori dengan elektronik yang semakin padat ke pusat data, maka pada akhirnya akan runtuh menjadi lubang hitam dan menghilang di balik cakrawala peristiwa.

Ketika fisikawan seperti Jacob Bekenstein dan Stephen Hawking mencoba untuk menghitung kandungan informasi lubang hitam, mereka terkejut menemukan bahwa itu diberikan oleh luas cakrawala peristiwa — bukan oleh volume lubang hitam. Sepertinya informasi di dalam lubang hitam tertulis di horizon peristiwa. Secara khusus, lubang hitam dengan horizon peristiwa yang dapat dipasang SEBUAH satuan luas yang sangat kecil (setiap satuan, disebut “luasan Planck”, adalah 2,6121×10−70 m2) memiliki paling banyak SEBUAH/4 bit informasi. Batasan ini dikenal dengan Bekenstein-Hawking terikat.

Penemuan bahwa jumlah maksimum informasi yang dapat ditampung di suatu wilayah tidak sebanding dengan volumenya, tetapi dengan luas permukaan batas wilayah tersebut mengisyaratkan hubungan yang menarik antara informasi kuantum dan dunia spasial tiga dimensi dari pengalaman kita sehari-hari. Hubungan ini dilambangkan dengan ungkapan “It from qubit”, yang menjelaskan bagaimana materi (“it”) muncul dari informasi kuantum (“qubit”).

See also  Netgear Memperkenalkan Titik Akses dan Layanan Wi-Fi 6/6E untuk Pemasang Rumah

Sementara memformalkan hubungan seperti itu sulit untuk ruangwaktu biasa, penelitian terbaru telah menghasilkan kemajuan luar biasa dengan alam semesta hipotetis dengan geometri hiperbolik yang dikenal sebagai “ruang anti-de Sitter” di mana teori gravitasi kuantum dibangun secara lebih alami. Di ruang anti-de Sitter, deskripsi volume ruang dengan gravitasi yang bekerja di dalamnya dapat dianggap sebagai dikodekan pada batas yang melingkupi volume: setiap objek di dalam ruang memiliki deskripsi yang sesuai pada batas dan sebaliknya. Korespondensi informasi ini disebut prinsip holografikyang merupakan prinsip umum yang diilhami oleh pengamatan Bekenstein dan Hawking.

Representasi skematik ruang anti-de Sitter (bagian dalam silinder) dan representasi gandanya sebagai informasi kuantum pada batas (permukaan silinder).

Korespondensi AdS/CFT memungkinkan fisikawan untuk menghubungkan objek di ruang angkasa dengan ansambel tertentu dari qubit yang berinteraksi di permukaan. Artinya, setiap wilayah batas menyandikan (dalam informasi kuantum) isi suatu wilayah dalam ruangwaktu sehingga materi di lokasi tertentu dapat “dibangun” dari informasi kuantum. Ini memungkinkan prosesor kuantum untuk bekerja secara langsung dengan qubit sambil memberikan wawasan tentang fisika ruangwaktu. Dengan hati-hati menentukan parameter komputer kuantum untuk meniru model tertentu, kita dapat melihat lubang hitam, atau bahkan melangkah lebih jauh dan melihat dua lubang hitam yang terhubung satu sama lain — sebuah konfigurasi yang dikenal sebagai lubang cacing, atau jembatan Einstein-Rosen .

Eksperimen: Gravitasi Kuantum di Lab

Menerapkan ide-ide ini pada prosesor Sycamore, kami telah membangun sistem kuantum yang ganda untuk lubang cacing yang dapat dilalui. Diterjemahkan dari bahasa informasi kuantum ke fisika ruangwaktu melalui prinsip holografik, eksperimen tersebut membiarkan sebuah partikel jatuh ke salah satu sisi lubang cacing dan mengamatinya muncul di sisi lain.

Ada lubang cacing yang bisa dilalui baru-baru ini terbukti mungkin oleh Daniel Jafferis, Ping Gao dan Aron Wall. Sementara lubang cacing telah lama menjadi bahan pokok fiksi ilmiah, ada banyak kemungkinan geometri ruangwaktu yang memungkinkan pembentukan lubang cacing, tetapi lubang cacing yang dibangun secara naif akan runtuh karena partikel yang melewatinya. Para penulis menunjukkan bahwa a gelombang kejut — yaitu, deformasi ruangwaktu yang menyebar dengan kecepatan cahaya — energi negatif akan menyelesaikan masalah ini, menopang wormhole cukup lama untuk memungkinkan traversabilitas. Kehadiran energi negatif di lubang cacing yang dapat dilalui mirip dengan energi negatif di Efek Casimir, di mana energi vakum mendorong pelat-pelat yang berjarak dekat. Dalam kedua kasus tersebut, mekanika kuantum mengizinkan kerapatan energi di lokasi tertentu dalam ruang menjadi positif atau negatif. Di sisi lain, jika lubang cacing mengalami gelombang kejut positif energi, tidak ada informasi yang akan diizinkan untuk melewatinya.

See also  Seri Ryzen dan Athlon 7020 berbasis Zen 2 dengan Grafik RDNA 2

Penerapan paling sederhana dari prinsip holografik untuk membuat lubang cacing membutuhkan banyak, banyak qubit — faktanya, untuk mendekati solusi pensil-dan-kertas yang diberikan oleh fisikawan teoretis, seseorang akan membutuhkan sejumlah besar qubit. Karena jumlah qubit berkurang, diperlukan koreksi tambahan yang masih kurang dipahami saat ini. Ide-ide baru diperlukan untuk membangun lubang cacing yang dapat dilalui pada komputer kuantum dengan jumlah qubit yang terbatas.

Salah satu dari kami (Zlokapa) mengadopsi ide dari pembelajaran mendalam untuk merancang sistem kuantum kecil yang mempertahankan aspek kunci fisika gravitasi. Jaringan saraf dilatih melalui backpropagation, metode yang mengoptimalkan parameter dengan langsung menghitung gradien melalui lapisan jaringan. Untuk meningkatkan kinerja jaringan saraf dan mencegahnya dari overfitting ke dataset pelatihan, praktisi pembelajaran mesin (ML) menggunakan sejumlah teknik. Salah satu dari ini, sparsifikasiberupaya membatasi detail informasi dalam jaringan dengan menyetel bobot sebanyak mungkin ke nol.

Demikian pula, untuk membuat lubang cacing, kami mulai dengan sistem kuantum besar dan memperlakukannya seperti jaringan saraf. Backpropagation memperbarui parameter sistem untuk mempertahankan sifat gravitasi sementara sparsifikasi mengurangi ukuran sistem. Kami menerapkan ML untuk mempelajari sistem yang mempertahankan hanya satu ciri khas gravitasi utama: pentingnya menggunakan gelombang kejut energi negatif. Kumpulan data pelatihan membandingkan dinamika partikel yang melintasi lubang cacing terbuka dengan energi negatif dan runtuh dengan energi positif. Dengan memastikan sistem yang dipelajari mempertahankan asimetri ini, kami memperoleh model jarang yang konsisten dengan dinamika lubang cacing.

Prosedur pembelajaran untuk menghasilkan sistem kuantum jarang yang menangkap dinamika gravitasi. Kopling tunggal terdiri dari enam kemungkinan koneksi antara kelompok empat fermion tertentu.

Bekerja dengan Jafferis dan beberapa kolaborator dari Caltech, Fermilab, dan Harvard, kami menguji sistem kuantum baru untuk menentukan apakah itu menunjukkan perilaku gravitasi di luar tanda tangan yang disebabkan oleh gelombang kejut energi yang berbeda. Misalnya, sementara efek mekanika kuantum dapat mentransmisikan informasi melintasi sistem kuantum dalam berbagai cara, informasi yang bergerak dalam ruangwaktu — termasuk melalui lubang cacing — harus konsisten secara kausal. Tanda tangan ini dan lainnya telah diverifikasi pada komputer klasik, membenarkan bahwa dinamika sistem kuantum konsisten dengan interpretasi gravitasi sebagaimana dilihat melalui kamus prinsip holografik.

Menerapkan wormhole yang dapat dilalui sebagai percobaan pada prosesor kuantum adalah proses yang luar biasa rumit. Mekanisme mikroskopis transfer informasi melintasi qubit sangat kacau: bayangkan tetesan tinta berputar-putar di air. Saat sebuah partikel jatuh ke dalam lubang cacing, informasinya tersebar di seluruh sistem kuantum dalam gambar holografik. Agar gelombang kejut energi negatif bekerja, pengacakan informasi harus mengikuti pola tertentu yang dikenal sebagai belitan ukuran sempurna. Setelah partikel mengenai gelombang kejut energi negatif, pola kekacauan secara efektif berjalan terbalik: ketika partikel muncul dari lubang cacing, seolah-olah tetesan tinta telah bersatu kembali dengan benar-benar membatalkan penyebaran turbulen aslinya. Jika, suatu saat, kesalahan kecil terjadi, dinamika kekacauan tidak akan hilang dengan sendirinya, dan partikel tidak akan berhasil melewati lubang cacing.

See also  Simpul 1,4 nm, Kapasitas 3x Lebih Banyak

Kiri: Sirkuit kuantum menggambarkan lubang cacing yang dapat dilalui. Sepasang qubit terjerat maksimal (“pasangan EPR”) digunakan sebagai probe keterjeratan untuk mengirim qubit melalui lubang cacing. Qubit ditukar ke sisi kiri lubang cacing pada saat itu -t; gelombang kejut energi diterapkan pada waktu 0; dan sisi kanan lubang cacing diukur pada waktu t1. Benar: Foto prosesor kuantum Google Sycamore.

Pada prosesor kuantum Sycamore, kami mengukur berapa banyak informasi kuantum yang diteruskan dari satu sisi sistem ke sisi lainnya saat menerapkan gelombang kejut energi negatif versus positif. Kami mengamati sedikit asimetri antara dua energi, menunjukkan tanda kunci dari lubang cacing yang dapat dilalui. Karena kepekaan protokol terhadap derau, tingkat kesalahan prosesor Sycamore yang rendah sangat penting untuk mengukur sinyal; bahkan dengan 1,5x jumlah noise, sinyal akan sepenuhnya dikaburkan.

Sedang mencari

Saat perangkat kuantum terus meningkat, tingkat kesalahan yang lebih rendah dan chip yang lebih besar akan memungkinkan penyelidikan fenomena gravitasi yang lebih dalam. Tidak seperti eksperimen seperti LIGO yang merekam data tentang gravitasi di dunia sekitar kita, komputer kuantum menyediakan alat untuk mengeksplorasi teori gravitasi kuantum. Kami berharap komputer kuantum akan membantu mengembangkan pemahaman kita tentang teori gravitasi kuantum di masa depan di luar model saat ini.

Gravitasi hanyalah salah satu contoh kemampuan unik komputer kuantum untuk menyelidiki teori fisika yang kompleks: prosesor kuantum dapat memberikan wawasan tentang kristal waktu, kekacauan kuantum, dan kimia. Pekerjaan kami mendemonstrasikan dinamika lubang cacing merupakan langkah menuju penemuan fisika fundamental menggunakan prosesor kuantum di Google Quantum AI.

Anda juga dapat membaca lebih lanjut tentang hasil ini di sini.

Terima kasih

Kami ingin berterima kasih kepada Komunikator Sains Kuantum kami Katherine McCormick atas bantuannya menulis postingan blog ini.

[ad_2]

Facebook
Twitter
Pinterest
WhatsApp
RELATED ARTICLES

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Most Popular

Recent Comments