ترجمة: محمد البابلي
طور العلماء ، لأول مرة ، تجربة كمومية تسمح لهم بدراسة ديناميكيات أو سلوك نوع خاص من الثقوب الدودية النظرية. لم تخلق التجربة ثقبًا دوديًا فعليًا (تمزق في المكان والزمان) ، بل إنها تسمح للباحثين بسبر الروابط بين الثقوب الدودية النظرية وفيزياء الكم ، وهو تنبؤ لما يسمى بالجاذبية الكمومية. تشير الجاذبية الكمية إلى مجموعة من النظريات التي تسعى إلى ربط الجاذبية بفيزياء الكم ، وهما وصفان أساسيان ومدروسان جيدًا للطبيعة يبدو أنهما غير متوافقين بطبيعتهما مع بعضهما البعض.
تقول ماريا سبيروبولو ، الباحثة الرئيسية في برنامج أبحاث مكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة الأمريكية: "لقد وجدنا نظامًا كميًا يعرض الخصائص الرئيسية لثقب دودي ثقالي ولكنه صغير بما يكفي لتطبيقه على الأجهزة الكمومية الحالية". (QCCFP) وأستاذ Shang-Yi Ch'en للفيزياء في Caltech. "يشكل هذا العمل خطوة نحو برنامج أكبر لاختبار فيزياء الجاذبية الكمومية باستخدام الكمبيوتر الكمومي. ولا يحل محل المسابير المباشرة للجاذبية الكمومية بنفس الطريقة مثل التجارب الأخرى المخطط لها والتي قد تستكشف تأثيرات الجاذبية الكمية في المستقبل باستخدام الاستشعار الكمي. ، لكنها تقدم بالفعل اختبارًا قويًا لممارسة أفكار الجاذبية الكمية ".
سيتم نشر البحث في 1 ديسمبر في مجلة Nature. أول مؤلفي الدراسة هم دانيال جافريس من جامعة هارفارد وألكسندر زلوكابا (بكالوريوس 21) ، وهو طالب جامعي سابق في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا والذي بدأ في هذا المشروع لأطروحة البكالوريوس مع سبيروبولو وانتقل منذ ذلك الحين إلى كلية الدراسات العليا في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.
الثقوب الدودية هي جسور بين منطقتين بعيدتين في الزمكان. لم يتم ملاحظتها تجريبيًا ، لكن العلماء وضعوا نظريات حول وجودهم وخصائصهم لما يقرب من 100 عام. في عام 1935 ، وصف ألبرت أينشتاين وناثان روزين الثقوب الدودية بأنها أنفاق عبر نسيج الزمكان وفقًا لنظرية أينشتاين العامة للنسبية ، التي تصف الجاذبية بأنها انحناء للزمكان. يطلق الباحثون على الثقوب الدودية اسم جسور أينشتاين-روزين على اسم الفيزيائيين اللذين استدعاهما ، بينما صاغ الفيزيائي جون ويلر مصطلح "الثقب الدودي" في الخمسينيات من القرن الماضي.
تم اقتراح فكرة أن الثقوب الدودية والفيزياء الكمومية ، وبالتحديد التشابك (وهي ظاهرة يمكن أن يظل فيها جسيمان متصلان عبر مسافات شاسعة) ، قد يكون لهما صلة لأول مرة في البحث النظري بواسطة Juan Maldacena و Leonard Susskind في عام 2013. تكهن الفيزيائيون بأن الثقوب الدودية ( أو "ER") كانت مكافئة للتشابك (المعروف أيضًا باسم "EPR" بعد ألبرت أينشتاين ، بوريس بودولسكي [دكتوراه '28] ، وناثان روزين ، الذي اقترح المفهوم لأول مرة). في جوهره ، أنشأ هذا العمل نوعًا جديدًا من الارتباط النظري بين عوالم الجاذبية والفيزياء الكمومية. يقول سبيروبولو من ER = EPR: "لقد كانت فكرة جريئة وشاعرية للغاية".
لاحقًا ، في عام 2017 ، قام Jafferis ، جنبًا إلى جنب مع زملائه Ping Gao و Aron Wall ، بتوسيع فكرة ER = EPR ليس فقط الثقوب الدودية ولكن الثقوب الدودية القابلة للعبور. ابتكر العلماء سيناريو تُبقي فيه الطاقة السلبية الطاردة ثقبًا دوديًا مفتوحًا لفترة كافية لتمرير شيء ما من طرف إلى آخر. أظهر الباحثون أن هذا الوصف الجاذبي لثقب دودي يمكن اجتيازه يعادل عملية تُعرف باسم النقل الآني الكمي. في النقل الآني الكمي ، وهو بروتوكول تم إثباته تجريبياً عبر مسافات طويلة عبر الألياف الضوئية وعبر الهواء ، يتم نقل المعلومات عبر الفضاء باستخدام مبادئ التشابك الكمي.
يستكشف العمل الحالي تكافؤ الثقوب الدودية مع النقل الآني الكمي. أجرى الفريق بقيادة معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا التجارب الأولى التي تبحث في فكرة أن المعلومات التي تنتقل من نقطة في الفضاء إلى نقطة أخرى يمكن وصفها إما بلغة الجاذبية (الثقوب الدودية) أو لغة فيزياء الكم (التشابك الكمومي).
حدث اكتشاف رئيسي ألهم التجارب المحتملة في عام 2015 ، عندما أظهر أليكسي كيتاييف من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا ، وأستاذ رونالد وماكسين ليند للفيزياء النظرية والرياضيات ، أن نظامًا كميًا بسيطًا يمكن أن يُظهر نفس الازدواجية التي وصفها لاحقًا جاو وجافريس وول ، مثل أن ديناميكيات الكم للنموذج تعادل تأثيرات الجاذبية الكمية. قاد نموذج Sachdev-Ye-Kitaev هذا ، أو نموذج SYK (الذي سمي على اسم Kitaev ، و Subir Sachdev و Jinwu Ye ، وهما باحثان آخران عملوا على تطويره سابقًا) الباحثين إلى اقتراح أن بعض الأفكار النظرية للثقب الدودي يمكن دراستها بشكل أعمق من خلال إجراء تجارب على معالجات الكم.
لتعزيز هذه الأفكار ، في عام 2019 ، أظهر Jafferis و Gao أنه من خلال تشابك نموذجين SYK ، يجب أن يكون الباحثون قادرين على إجراء النقل الآني للثقب الدودي وبالتالي إنتاج وقياس الخصائص الديناميكية المتوقعة من الثقوب الدودية القابلة للعبور.
في الدراسة الجديدة ، أجرى فريق الفيزيائيين هذا النوع من التجارب لأول مرة. استخدموا نموذجًا شبيهًا بـ SYK "طفل" تم إعداده للحفاظ على خصائص الجاذبية ، ولاحظوا ديناميكيات الثقب الدودي على جهاز كمي في Google ، وبالتحديد معالج الكم Sycamore. لتحقيق ذلك ، كان على الفريق أولاً تقليل نموذج SYK إلى شكل مبسط ، وهو إنجاز حققوه باستخدام أدوات التعلم الآلي على أجهزة الكمبيوتر التقليدية.
يقول سبيروبولو: "لقد استخدمنا تقنيات التعلم لإيجاد وإعداد نظام كمي بسيط يشبه SYK يمكن ترميزه في البنى الكمومية الحالية والذي من شأنه أن يحافظ على خصائص الجاذبية". "بعبارة أخرى ، قمنا بتبسيط الوصف المجهري للنظام الكمي SYK ودرسنا النموذج الفعال الناتج الذي وجدناه في المعالج الكمومي. ومن الغريب والمثير للدهشة كيف أن التحسين في إحدى خصائص النموذج حافظ على المقاييس الأخرى! لدينا خطط لمزيد من الاختبارات للحصول على رؤى أفضل عن النموذج نفسه ".
في التجربة ، أدخل الباحثون كيوبت - المكافئ الكمي للبت في أجهزة الكمبيوتر التقليدية القائمة على السيليكون - في أحد الأنظمة الشبيهة بـ SYK ولاحظوا ظهور المعلومات من النظام الآخر. تنتقل المعلومات من نظام كمي إلى آخر عبر النقل الآني الكمي - أو ، عند التحدث بلغة الجاذبية التكميلية ، مرت المعلومات الكمومية عبر الثقب الدودي القابل للعبور.
"لقد أجرينا نوعًا من النقل الآني الكمي المكافئ لثقب دودي يمكن اجتيازه في صورة الجاذبية. للقيام بذلك ، كان علينا تبسيط النظام الكمي إلى أصغر مثال يحافظ على خصائص الجاذبية حتى نتمكن من تنفيذه على معالج الكم الجميز في Google ، "يقول Zlokapa.
تضيف سامانثا ديفيس ، المؤلفة المشاركة ، وهي طالبة دراسات عليا في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا ، "لقد استغرق الأمر وقتًا طويلاً للوصول إلى النتائج ، وقد فاجأنا أنفسنا بالنتيجة".
يقول جون بريسكيل ، أستاذ الفيزياء النظرية في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا ومدير قسم الفيزياء النظرية في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا ، جون بريسكيل ، "إن الأهمية القريبة المدى لهذا النوع من التجارب هي أن منظور الجاذبية يوفر طريقة بسيطة لفهم ظاهرة كمومية غامضة متعددة الجسيمات". معهد المعلومات الكمية والمواد (IQIM). "ما وجدته مثيرًا للاهتمام حول تجربة Google الجديدة هذه هو أنهم ، من خلال التعلم الآلي ، كانوا قادرين على جعل النظام بسيطًا بما يكفي لمحاكاته على آلة كم موجودة مع الاحتفاظ برسم كاريكاتوري معقول لما تتنبأ به صورة الجاذبية."
في هذه الدراسة ، ذكر الفيزيائيون أن سلوك الثقب الدودي متوقع من منظور الجاذبية ومن فيزياء الكم. على سبيل المثال ، بينما يمكن نقل المعلومات الكمومية عبر الجهاز ، أو نقلها آنيًا ، بطرق متنوعة ، تبين أن العملية التجريبية مكافئة ، على الأقل من بعض النواحي ، لما قد يحدث إذا انتقلت المعلومات عبر ثقب دودي. للقيام بذلك ، حاول الفريق "فتح الثقب الدودي" باستخدام نبضات إما من نبضات الطاقة السلبية الطاردة أو العكس ، الطاقة الإيجابية. لاحظوا التوقيعات الرئيسية لثقب دودي يمكن اجتيازه فقط عند تطبيق ما يعادل الطاقة السلبية ، وهو ما يتوافق مع الطريقة التي يُتوقع أن تتصرف بها الثقوب الدودية.
يقول سبيروبولو: "الدقة العالية للمعالج الكمي الذي استخدمناه كانت ضرورية". "إذا كانت معدلات الخطأ أعلى بنسبة 50 في المائة ، لكانت الإشارة محجوبة تمامًا. لو كانت نصفها لكان لدينا 10 أضعاف الإشارة!"؟
في المستقبل ، يأمل الباحثون في توسيع هذا العمل ليشمل دارات كمومية أكثر تعقيدًا. على الرغم من أن أجهزة الكمبيوتر الكمومية الحسنة النية قد لا تزال بعيدة ، إلا أن الفريق يخطط لمواصلة إجراء تجارب من هذا النوع على منصات الحوسبة الكمومية الحالية.
يقول سبيروبولو: "العلاقة بين التشابك الكمي ، والزمكان ، والجاذبية الكمومية هي واحدة من أهم الأسئلة في الفيزياء الأساسية ومجال نشط للبحث النظري". "نحن متحمسون لاتخاذ هذه الخطوة الصغيرة نحو اختبار هذه الأفكار على الأجهزة الكمومية وسوف نستمر في ذلك."
تم تمويل الدراسة التي تحمل عنوان "ديناميكيات الثقوب الدودية القابلة للعبور على معالج كمي" من قبل وزارة الطاقة الأمريكية ، مكتب العلوم من خلال برنامج أبحاث QCCFP. ومن المؤلفين الآخرين: جوزيف ليكين من فيرميلاب. ديفيد كولشماير ، الذي كان يعمل سابقًا في جامعة هارفارد والآن باحث ما بعد الدكتوراة في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. نيكولاي لاوك ، باحث ما بعد الدكتوراة سابقًا في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا ؛ وهارتموت نيفين من Google.
المصدر:
ساينس ديلي
.jpg)
ليست هناك تعليقات
إرسال تعليق
شاركنا بتعليقك ، مع مراعاة :
- أحترام الآداب العامة وأحترام الرأي الآخر
- عدم الأساءة الى أي جهة سواء كانت دينية أو سياسية
- عدم مشاركة الروابط والأعلانات منعاً باتاً