ایجاد یک کرم چاله هولوگرافیک با استفاده از یک کامپیوتر کوانتومی در یک آزمایش جسورانه!

به نظر می‌رسد فیزیکدانان اولین کرم‌ چاله را ساخته‌اند، نوعی تونل که در سال ۱۹۳۵ توسط آلبرت اینشتین و ناتان روزن نظریه‌پردازی شد و با عبور از یک بعد اضافی فضا، از مکانی به مکان دیگر می‌رود. این آزمایش بی‌سابقه این امکان را بررسی می‌کند که فضازمان به نحوی از اطلاعات کوانتومی بیرون می‌آید، حتی اگر تفسیر آن همچنان مورد مناقشه باشد. این کرم چاله مانند یک هولوگرام، از بیت‌های کوانتومی اطلاعات یا «کیوبیت‌ها» که در مدارهای ابررسانای کوچک ذخیره شده‌اند پدید آمد. در این پژوهش، محققان با دستکاری کیوبیت‌ها، اطلاعاتی را از طریق کرم چاله ارسال کردند. نتیجه‌ی این پژوهش هیجان‌انگیز دو روز پیش در مجله Nature گزارش شد. در ادامه با ترجمه‌ی مقاله‌ی مفصلی از وب‌سایت کوانتامگزین با دیپ لوک همراه باشید…

یک گروه تحقیقاتی به رهبری ماریا اسپیروپولو (Maria Spiropulu) از موسسه فناوری کالیفرنیا، با استفاده از رایانه کوانتومی گوگل، یعنی دستگاهی به نام سیکامور که در Google Quantum AI در سانتا باربارای کالیفرنیا قرار دارد، رمان «پروتکل تله پورت کرم ‌چاله» را به حقیقت بدل کردند! آنطور که اسپیروپولو می‌گوید، با  این آزمایش گرانش کوانتومی روی یک تراشه، که در نوع خودش اولین است، او و گروهش موفق شدند گروهی از فیزیکدانان رقیب را که قصد انجام تله پورت کرم‌چاله با استفاده از کامپیوترهای کوانتومی IBM و Quantinuum را داشتند، شکست دهند. وقتی اسپیروپولو علامت کلیدی نشان‌دهنده‌ی عبور کیوبیت‌ها از کرم‌چاله را دید، گفت: «من جاخوردم.»

این آزمایش را می‌توان به عنوان مدرکی برای اصل هولوگرافیک، یعنی یک فرضیه جامع در مورد چگونگی تطبیق دو ستون فیزیک بنیادی، مکانیک کوانتومی و نسبیت عام، در نظر گرفت. فیزیکدانان از دهه ۱۹۳۰ تلاش کرده‌اند تا این نظریه‌های ازهم‌گسیخته را با هم آشتی دهند که یکی، کتاب قانون اتم ها و ذرات زیر اتمی است و دیگری، توصیف اینشتین از چگونگی تغییر بافت فضازمان توسط ماده و انرژی و ایجاد گرانش. اصل هولوگرافیک، که از دهه ۱۹۹۰ رواج یافته است، یک هم ارزی یا «دوگانگی» ریاضی را بین این دو چارچوب مطرح می‌کند. این اصل می‌گوید پیوستارِ فضازمانِ خمیده‌ای که توسط نسبیت عام توصیف شده، در واقع یک سیستم کوانتومی از ذرات مبدل است. فضازمان و گرانش از اثرات کوانتومی ظهور می‌یابند، همان‌طور که هولوگرام سه‌بعدی از یک الگوی دو بعدی بیرون می‌آید.

در واقع، آزمایش جدید تأیید می‌کند که اثرات کوانتومی (از نوعی که می‌توانیم در رایانه‌های کوانتومی کنترل کنیم) می‌توانند منجر به پدیده‌ای شوند که انتظار داریم در نسبیت ببینیم: یک کرم ‌چاله. جان پرسکیل (John Preskil)، فیزیکدان نظری کلتک که البته در این آزمایش شرکت نداشت، می‌گوید:

سیستم در حال تکامل کیوبیت‌ها در تراشه سیکامور گوگل، امکان این توصیف جایگزین بسیار جالب را می‌دهد. شما می‌توانید سیستم را به زبانی بسیار متفاوت و به صورت گرانشی تصور کنید.

اجازه دهید بحث را کمی روشن‌تر کنیم: برخلاف یک هولوگرام معمولی، کرم چاله چیزی نیست که بتوانیم ببینیم. به گفته یکی از نویسندگان مقاله و توسعه‌دهنده اصلی پروتکل تله پورت کرم‌چاله، دانیل جافریس (Daniel Jafferis) از دانشگاه هاروارد، اگرچه یک کرم چاله را می‌توان «رشته‌ای از فضازمان واقعی» در نظر گرفت، اما بخشی از همان واقعیتی نیست که ما و کامپیوتر سیکامور در آن زندگی می‌کنیم. اصل هولوگرافی می‌گوید که این دو واقعیت – یکی با کرم‌چاله و دیگری با کیوبیت‌ها – نسخه‌های متفاوت یک فیزیک هستند، اما نحوه مفهوم‌سازی این نوع دوگانگی یا تناظر، همچنان مرموز است.

نظرات در مورد پیامدهای اساسی نتیجه متفاوت خواهد بود. نکته مهم این است که کرم چاله هولوگرافیک این آزمایش، از فضازمان متفاوتی با فضازمان جهان خودمان تشکیل شده است. اینکه آیا این آزمایش را می‌توان به فضازمانی که ما در آن زندگی می‌کنیم تعمیم داد و آن را نیز هولوگرافیک قلمداد نمود، محل بحث است. جافریس می‌گوید:

فکر می‌کنم این درست است که گرانش در جهان ما از دل برخی [بیت‌های] کوانتومی ظهور می‌کند، به همان شکلی که این کرم‌چاله تک‌بعدی کودک از تراشه سیکامور پدیدار می‌شود. البته ما این امر را به طور قطع نمی‌دانیم، بلکه در حال تلاش برای درک آن هستیم.

به سوی کرم چاله

داستان کرم چاله هولوگرافیک، به دو مقاله به ظاهر نامرتبط منتشرشده در سال ۱۹۳۵ برمی‌گردد: یکی از اینشتین و روزن، معروف به  ER، و دیگری توسط اینشتین، روزن و بوریس پودولسکی، معروف به EPR . هر دو مقاله ER و EPR  در ابتدا به عنوان کارهای حاشیه‌ای اینشتین بزرگ، مورد قضاوت قرار گرفتند، اما حالا وضع تغییر کرده است.

در مقاله ER، اینشتین و دستیار جوانش، روزن، در حالی که تلاش می‌کردند نسبیت عام را به یک نظریه یکپارچه درباره همه چیز (یعنی توصیفی نه تنها از فضازمان، بلکه از ذرات زیراتمی معلق در آن) بسط دهند، به طور تصادفی به احتمال کرم چاله ها برخورد کردند. آنها به بافت فضازمان که فیزیکدان-سرباز آلمانی کارل شوارتزشیلد (Karl Schwarzschild) در سال ۱۹۱۶، درست چند ماه پس از انتشار نظریه اینشتین، در میان چندگانگی‌های نسبیت عام پیدا کرده بود، سر و سامان داده بودند. شوارتزشیلد نشان داد که جرم می‌تواند به لحاظ گرانشی خود را به قدری جذب کند که بی‌نهایت در نقطه‌ای متمرکز می‌شود و فضازمان را به شدت در آنجا خم می‌کند که متغیرها بی‌نهایت می‌شوند و معادلات اینشتین نادرست عمل می‌کنند. اکنون می دانیم که این «تکینگی ها» در سراسر جهان وجود دارند. آنها نقاطی هستند که ما نه می‌توانیم توصیف کنیم و نه می‌توانیم ببینیم، هر یک از آن‌ها در مرکز سیاهچاله ای پنهان شده‌اند که به صورت گرانشی تمام نور مجاور را به دام می اندازد. تکینگی ها جایی هستند که یک نظریه کوانتومی گرانش لازم است.

اینشتین و روزن حدس زدند که شاید ریاضیات شوارتزشیلد، راهی برای اتصال ذرات بنیادی به نسبیت عام باشد. آنها تکینگی را از معادلات او حذف کرده و متغیرهای جدیدی را قرار دادند که نقطه تیز را با یک لوله با ‌بُعد اضافی که به قسمت دیگری از فضازمان می‌لغزید، جایگزین می‌کردند. اینشتین و روزن، استدلال کردند که این «پل‌ها» (یا کرم‌چاله‌ها) ممکن است نشان دهنده ذرات باشند.

از قضا، اینشتین و روزن در تلاش برای پیوند کرمچاله ها و ذرات، به پدیده عجیبی که دو ماه قبل با پودولسکی در مقاله EPR  برای ذرات شناسایی کرده بودند، یعنی درهم تنیدگی کوانتومی، توجه نکردند.

درهم تنیدگی زمانی به وجود می‌آید که دو ذره با یکدیگر برهمکنش داشته باشند. طبق قوانین کوانتومی، ذرات می‌توانند به طور همزمان چند حالت ممکن داشته باشند. این بدان معناست که برهمکنش بین ذرات، بسته به حالت هر ذره در آغاز، نتایج ممکن متعددی دارد. با این حال، نتایج بدست آمده همیشه به هم مرتبط خواهند بود؛ یعنی حالت پایانی ذره  A، بستگی به تکامل زمانی ذره B دارد. پس از چنین برهمکنشی، ذرات یک فرمول مشترک دارند که حالت‌های ترکیبی مختلفی را که ممکن است در آن باشند، مشخص می‌کند.

پیامد تکان‌دهنده‌ای که باعث شد نویسندگان EPR به نظریه کوانتومی شک کنند، آنطور که اینشتین می‌گفت، «کنش شبح وار از راه دور» بود: اندازه گیری ذره A (که یک واقعیت را از میان احتمالاتش انتخاب می‌کند)، فوراً حالت متناظر ذره B را تعیین می‌کند، فارغ از اینکه این دو ذره چقدر از یکدیگر دور هستند.

درهم تنیدگی از زمانی که فیزیکدانان در دهه ۱۹۹۰ کشف کردند انواع جدیدی از محاسبات را امکان پذیر می‌کند، اهمیت قابل توجهی پیدا کرده است. درهم تنیدگی دو کیوبیت (اجسام کوانتومی مانند ذراتی که در دو حالت ممکن، ۰ و ۱ وجود دارند)، چهار حالت ممکن با احتمال‌های متفاوت (۰ و ۰، ۰ و ۱، ۱ و ۰، و ۱ و ۱) به دست می‌دهد. سه کیوبیت هشت احتمال همزمان ایجاد می‌کنند و همینطور الی آخر. قدرت یک «کامپیوتر کوانتومی» با هر کیوبیت درهم تنیده به طور تصاعدی افزایش می‌یابد. اگر درهم تنیدگی را هوشمندانه تنظیم کنید، می‌توانید تمام ترکیب های ۰ و ۱ به جز دنباله‌ای که به یک محاسبه پاسخ می‌دهد را خنثی کنید. نمونه اولیه کامپیوترهای کوانتومی ساخته شده از چند ده کیوبیت، در چند سال گذشته به رهبری ماشین ۵۴ کیوبیتی سیکامورگوگل ساخته شده‌اند. در همین حال، محققان گرانش کوانتومی به دلیل دیگری بر درهم تنیدگی کوانتومی تأکید کرده‌اند: به عنوان منبع احتمالی هولوگرام فضازمان.

 

ER = EPR

بحث در مورد فضازمان و هولوگرافی در اواخر دهه ۱۹۸۰ و پس از آنکه جان ویلر، نظریه‌پرداز سیاه‌چاله، این دیدگاه را مطرح کرد که فضازمان و هر چیزی در آن ممکن است از اطلاعات سرچشمه بگیرد، آغاز شد. به زودی، سایر محققان، از جمله فیزیکدان هلندی جرارد هوفت (Gerard ’t Hooft)، به این فکر افتادند که آیا این ظهور ممکن است شبیه طرح یک هولوگرام باشد. نمونه‌هایی در مطالعات سیاه‌چاله‌ها و نظریه‌ی ریسمان دیده می‌شد که در آن‌ها، توصیفی از یک سناریوی فیزیکی را می‌توان به دیدگاهی به همان اندازه معتبر از آن با یک بعد فضایی اضافی ترجمه کرد. لئونارد ساسکیند (Leonard Susskind)، نظریه‌پرداز گرانش کوانتومی در دانشگاه استنفورد، در مقاله‌ای با عنوان «جهان به مثابه‌ یک هولوگرام» در سال ۱۹۹۴، اصل هولوگرافی هوفت را بیان کرد و استدلال کرد که حجمی از فضازمانِ خمیده‌ی توصیف شده توسط نسبیت عام، هم‌ارز یا «دوگانه»‌ی سیستمی از ذرات کوانتومی در مرز بُعد پایین‌تر آن ناحیه است.

یک نمونه مهم از هولوگرافی سه سال بعد مطرح شد. خوان مالداسنا (Juan Maldacena)، نظریه‌پرداز گرانش کوانتومی که اکنون در موسسه مطالعات پیشرفته در پرینستون نیوجرسی مشغول به کار است، کشف کرد که نوعی فضا به نام فضای پاددوسیته (AdS) ، در واقع یک هولوگرام است.

جهان واقعی، فضای دوسیته است؛ یعنی یک کره همیشه در حال رشد که توسط انرژی مثبت خود به بیرون رانده می‌شود. در مقابل، فضای AdS با انرژی منفی (ناشی از تفاوت در علامت یک ثابت در معادلات نسبیت عام) پر می‌شود و به فضا، یک هندسه «هذلولی‌وار» می‌دهد: اجسام با حرکت به سمت بیرون از مرکز فضا، منقبض شده و در یک مرز بیرونی، بی‌نهایت کوچک می‌شوند. مالداسنا نشان داد که فضازمان و گرانش درون یک جهان AdS دقیقاً با ویژگی‌های یک سیستم کوانتومی در مرز مطابقت دارند؛ مخصوصاً سیستمی به نام نظریه میدان همدیس یا CFT.

مقاله بمب ۱۹۹۷ مالداسنا که این «تطابق AdS/CFT » را توصیف می‌کند در پژوهش‌های بعدی، ۲۲ هزار بار – به طور متوسط ​​بیش از دو بار در روز – مورد ارجاع قرار گرفته است. پیتر وویت، ریاضی‌فیزیکدان دانشگاه کلمبیا می‌گوید: تلاش برای بهره‌برداری از ایده‌های مبتنی بر AdS/CFT ، دهه‌ها هدف اصلی هزاران نظریه‌پرداز بوده است.

از آنجایی که مالداسنا خود، نقشه AdS/CFT بین فضازمان‌های دینامیکی و سیستم‌های کوانتومی را بررسی ‌کرد، به کشف جدیدی در مورد کرم‌چاله‌ها دست یافت. او در حال مطالعه یک الگوی درهم تنیدگی خاص بود که شامل دو مجموعه ذره است، که در آن، هر ذره در یک مجموعه با ذره‌ای از مجموعه دیگر در هم‌تنیده است. وی نشان داد که این حالت از نظر ریاضی، متناظر با یک هولوگرام نسبتاً دراماتیک است: یک جفت سیاهچاله در فضای AdS که فضای داخلی آنها از طریق یک کرم چاله به هم متصل می‌شود.

یک دهه باید می‌گذشت تا مالداسنا، در سال ۲۰۱۳ متوجه شود که کشف او ممکن است نشان‌دهنده مطابقت کلی‌تری بین درهم تنیدگی کوانتومی و اتصال از طریق کرم چاله باشد. او یک معادله کوچک مرموز به صورت – ER = EPR   در ایمیلی به ساسکیند ارسال کرد که ساسکیند بلافاصله متوجه قضیه شد. این دو به سرعت، «حدس» را نوشتند: «ما استدلال می‌کنیم که پل اینشتین-روزن بین دو سیاهچاله توسط همبستگی هایEPRمانند، بین ریزحالت‌های دو سیاهچاله ایجاد می‌شود و اینکه این دوگانگی ممکن است کلی تر از این باشد: این بسیار وسوسه‌انگیز است که فکر کنیم هر سیستم همبسته‌ی  EPR ، با نوعی پل ER  متصل می‌شود.

شاید یک کرم چاله، هر جفت ذرات درهم تنیده در جهان را به هم پیوند دهد و یک ارتباط فضایی ایجاد کند که تاریخچه مشترک آنها را ثبت کند. شاید تصور اینشتین مبنی بر اینکه کرمچاله ها با ذرات ارتباط دارند، درست بود.

 

کرم چاله : یک پل محکم

هنگامی که جافریس در کنفرانسی در سال ۲۰۱۳، سخنرانی مالداسنا را در مورد ER = EPR شنید، متوجه شد که دوگانگی حدسی، باید به شما اجازه دهد تا با طراحی الگوی درهم تنیدگی، کرم‌چاله‌های سفارشی را طراحی کنید.

پل‌های استاندارد اینشتین-روزن برای طرفداران داستان‌های علمی-تخیلی، در همه جا به منزله یک ناامیدی هستند: اگر یکی از آنها شکل می‌گرفت، به سرعت تحت نیروی گرانش خود فرو می‌ریخت و مدت‌ها قبل از اینکه یک سفینه فضایی یا هر چیز دیگری بتواند از آن عبور کند، از بین می‌رفت. اما جافریس تصور کرد که یک سیم یا هر ارتباط فیزیکی دیگری را بین دو مجموعه ذره درهم تنیده که دو دهانه کرم‌چاله را رمزگذاری می‌کنند، بکشد. با این نوع جفت‌شدگی، عملیات روی ذرات در یک طرف، باعث ایجاد تغییراتی در ذرات طرف دیگر می‌شود و شاید کرم چاله بین آنها را باز کند. جافریس به یاد می‌آورد که با تعجب این سوال را از خود پرسید: «آیا این امر می‌تواند کرم چاله را قابل عبور کند؟» جافریس، این اعجوبه فیزیک که در ۱۴ سالگی در دانشگاه ییل شروع کرد و از دوران کودکی مجذوب کرم‌چاله‌ها بود، این سوال را «تقریباً برای سرگرمی» دنبال کرد.

در نهایت او، پینگ گائو (دانشجوی کارشناسی ارشدش در آن زمان) و آرون وال (یک محقق در آن زمان)، در هاروارد محاسبه کردند که در واقع، با جفت کردن دو مجموعه از ذرات در هم تنیده، می‌توانید عملیاتی را روی مجموعه سمت چپ انجام دهید که در تصویر فضازمان دو بعدی و با ابعاد بالاتر، کرم چاله منتهی به دهانه سمت راست را باز نگه می دارد و یک کیوبیت را به داخل هل می‌دهد. کشف این کرم چاله هولوگرافیک و قابل عبور توسط جافریس، گائو و وال در سال ۲۰۱۶ ، دریچه جدیدی از مکانیک هولوگرافی را به روی محققان باز کرد. جافریس می‌گوید:

این واقعیت که اگر عملیات مناسب را از بیرون انجام دهید، در نهایت می‌توانید از آن عبور کنید، به این معنی است که می‌توانید داخل کرم چاله را ببینید. یعنی می‌توان این واقعیت را بررسی کرد که دو سیستم درهم تنیده با نوعی هندسه متصل توصیف می‌شوند.

ظرف چند ماه، مالداسنا و دو همکارش با کار بر روی این طرح نشان دادند که کرم چاله قابل عبور را می‌توان در یک محیط ساده تحقق بخشید: یک سیستم کوانتومی که به اندازه کافی ساده است تا بتوانیم ساخت آن را تصور کنیم.

مدل SYK، سیستمی از ذرات ماده است که به جای جفت‌های معمول، به صورت گروهی با یکدیگر برهم کنش دارند. این مدل که برای اولین بار توسط سوبیر ساچدف (Subir Sachdev) و جینو یه (Jinwu Ye) در سال ۱۹۹۳ توصیف شد، از سال ۲۰۱۵ و زمانی که فیزیکدان نظری الکسی کیتایف (Alexei Kitaev) متوجه شد که هولوگرافیک است ، ناگهان اهمیت بیشتری پیدا کرد. کیتایف (نماینده حرف در K در نام مدل) در آن سال در یک سخنرانی در سانتا باربارای کالیفرنیا، چند تخته سیاه را با شواهدی پر کرد که نشان می‌داد نسخه خاصی از مدلی که در آن ذرات ماده در گروه‌های چهارتایی برهم‌کنش می‌کنند، از نظر ریاضی متناظر با یک سیاه چاله‌ی یک‌بعدی در فضای AdS، با تقارن‌ها و دیگر ویژگی‌های یکسان است. او به یکی از حضار متعصب گفت: «برخی پاسخ‌ها در این دو مورد یکسان هستند». مالداسنا در ردیف جلو نشسته بود.

مالداسنا و همکارانش با اتصال نقاط، پیشنهاد کردند که دو مدل SYK که به هم متصل شده‌اند می‌توانند دو دهانه کرم‌چاله‌ی قابل عبور جافریس، گائو و وال را رمزگذاری کنند. با تلاش‌های بیشتر جافریس و گائو، آن‌ها تا سال ۲۰۱۹، راه خود را به نسخه‌ای مشخص برای تله پورت یک کیوبیت اطلاعات، از یک سیستم ذرات برهمکنشی چهارطرفه به سیستم دیگر پیدا کردند. چرخاندن تمام جهت‌های چرخش ذرات (تغییر اسپین آن‌ها)، در تصویر فضازمان دوگانه، به یک موج ضربه‌ای با انرژی منفی ترجمه می‌شود که از طریق کرم‌چاله عبور می‌کند، کیوبیت را به جلو می‌راند و در زمانی قابل پیش‌بینی، از دهانه خارج می‌شود.

الکس زلوکاپا (Alex Zlokapa) ، دانشجوی فارغ التحصیل موسسه فناوری ماساچوست و یکی از نویسندگان آزمایش جدید می‌گوید: «کرم چاله جافریس اولین تحقق عینی ER = EPR است که در آن نشان می‌دهد این رابطه دقیقاً برای یک سیستم خاص برقرار است».

در ویدئوی زیر، می‌توانید داستان تولد این کرم چاله را تماشا کنید (توجه: زیرنویس فارسی که به منظور کمک برای درک بهتر برخی از مخاطبان در ویدئو قرار داده‌ایم، با هوش مصنوعی تولید شده و ترجمه اختصاصی دیپ لوک نمی‌باشد. در صورتی که زیرنویس را اینجا مشاهده نمی‌کنید، لطفا از گوشه سمت راست پایین روی آیکون «آپارات» کلیک کنید تا ضمن مشاهده ویدئو در سایت آپارات، زیرنویس نیز نمایش داده شود).

کرم چاله در آزمایشگاه

در حالی که این کار نظری در حال توسعه بود، ماریا اسپیروپولو، فیزیکدان ذرات تجربی ماهری که در کشف بوزون هیگز در سال ۲۰۱۲ نقش داشت، به این فکر می‌کرد که چگونه از رایانه های کوانتومی نوپا برای انجام آزمایش‌های گرانش کوانتومی هولوگرافیک استفاده کند. در سال ۲۰۱۸ او جافریس را متقاعد کرد تا به تیم در حال رشد او، همراه با محققان Google Quantum AI یعنی نگهبانان دستگاه سیکامور بپیوندد.

تیم اسپیروپولو برای اجرای پروتکل تله پورت کرم چاله جافریس و گائو بر روی کامپیوتر کوانتومی پیشرفته، اما همچنان کوچک و مستعد خطا مجبور شد این پروتکل را بسیار ساده کند. یک مدل کامل SYK شامل تقریباً بی‌نهایت ذره است که با نقاط اتصال تصادفی به یکدیگر جفت شده‌اند، زیرا برهمکنش‌های چهار طرفه در سراسر آن رخ می‌دهد. این مدل، قابل محاسبه نیست. حتی استفاده از ۵۰ کیوبیت به صدها هزار عملیات مداری نیاز دارد. محققان تصمیم گرفتند یک کرم چاله هولوگرافیک را تنها با هفت کیوبیت و صدها عملیات ایجاد کنند. برای انجام این کار، آنها باید مدل هفت ذره ای SYK را ساده‌سازی می‌کردند: فقط قوی‌ترین برهمکنش چهار طرفه را رمزگذاری کرده و بقیه را حذف می‌کردند، در حالی که خواص هولوگرافیک مدل را حفظ می‌نمودند. اسپیروپولو می‌گوید: 

چند سال طول کشید تا بتوانیم روشی هوشمندانه برای انجام آن پیدا کنیم

یکی از رازهای موفقیت گروه، زلوکاپا (Zlokapa)، یک جوان لاغر و دانشجوی کارشناسی ارشد کلتک بود که به گروه تحقیقاتی اسپیروپولو پیوست. زلوکاپا که یک برنامه نویس با استعداد بود، برهمکنش‌های ذرات مدل SYK را بر روی اتصالات بین نورون های یک شبکه عصبی ترسیم کرد و به سیستم آموزش داد تا اتصالات شبکه تا حد امکان را حذف کند و در عین حال علامت کلیدی کرم چاله را حفظ کند. این روش تعداد تعاملات چهار طرفه را از صدها به پنج کاهش داد.

با این راه حل، گروه شروع به برنامه نویسی کیوبیت های سیکامور کرد. هفت کیوبیت، ۱۴ ذره مادی (۷ ذره در چپ و ۷ ذره در راست سیستم‌های SYK) را رمزگذاری می‌کنند که در آن هر ذره در سمت چپ با یک ذره در سمت راست در هم تنیده است. سپس یک کیوبیت هشتم، در ترکیبی احتمالی از حالت‌های ۰ و ۱، با یکی از ذرات مدل SYK  سمت چپ مبادله می‌شود. حالات احتمالی آن کیوبیت به سرعت با حالات ذرات دیگر در سمت چپ درهم تنیده می‌شود و اطلاعات خود را به طور مساوی مانند یک قطره جوهر در آب، بین آنها پخش می‌کند. این از نظر هولوگرافیک،  متناظر با کیوبیتی است که وارد دهانه چپ یک کرم چاله یک بعدی در فضای AdS می‌شود.

سپس نوبت به چرخش تمام کیوبیت ها می‌رسد،که متناظر با عبور یک پالس از انرژی منفی از درون کرم چاله است. این چرخش باعث می‌شود که کیوبیت تزریق شده، به ذرات مدل SYK در سمت راست منتقل شود. پرسکیل می‌گوید پس اطلاعات جمع می‌شوند (مانند آشوبی که به عقب حرکت می‌کند) و دوباره در محل ذره‌ای در سمت راست (یعنی شریک درهم‌تنیده ذره سمت چپ) متمرکز می‌شوند. سپس تمام حالات کیوبیت‌ها اندازه گیری می‌شوند. محاسبه ۰ و ۱ها در بسیاری از آزمایش‌ها و مقایسه این آمار با حالت آماده‌شده کیوبیت‌های تزریق شده نشان می‌دهد که آیا کیوبیت‌ها در حال تله‌پورت شدن هستند یا خیر.

محققان به دنبال پیکی در داده‌ها می‌گردند که نشان‌دهنده تفاوت بین دو حالت است: اگر پیکی ببینند، به این معنی است که چرخش‌های کیوبیتی که متناظر با پالس‌های انرژی منفی هستند، به کیوبیت‌ها اجازه تله‌پورت را می‌دهند، در حالی که چرخش در جهت مخالف، که متناظر با پالس‌های انرژی مثبت طبیعی هستند، اجازه عبور کیوبیت‌ها را نمی‌دهند (در عوض باعث بسته شدن کرمچاله می‌شوند).

اواخر شبی در ژانویه، زلوکاپا پس از دو سال بهبود تدریجی و تلاش برای کاهش نویزها، پروتکل نهایی سیکامور را از راه دور از اتاق خواب دوران کودکی خود در منطقه خلیج سانفرانسیسکو و در حال گذرندان تعطیلات زمستانی، اجرا کرد. پیک روی صفحه کامپیوترش ظاهر شد. او می‌گوید: «آن پیک داشت تیزتر و تیزتر می‌شد. داشتم اسکرین‌شات‌هایی از پیک را برای ماریا می‌فرستادم. بسیار هیجان زده ‌شدم و نوشتم، «فکر کنم ما اکنون یک کرم چاله می‌بینیم. پیک اولین نشانه‌ای است که شما می‌توانید گرانش را روی یک کامپیوتر کوانتومی ببینید».

اسپیروپولو می‌گوید که به سختی می‌توانست پیک تمیز و واضحی را که می‌دید باور کند. او گفت:

این بسیار شبیه زمانی بود که من اولین داده‌های کشف هیگز را دیدم؛ نه به این دلیل که انتظارش را نداشتم، اما خیلی به چشمم آمد.

با کمال تعجب، محققان علیرغم سادگی کرمچاله‌شان، دومین علامت دینامیک کرمچاله را شناسایی کردند: یک الگوی ظریف در نحوه پخش وجمع شدن اطلاعات در بین کیوبیت ها. آن‌ها شبکه عصبی خود را برای حفظ این سیگنال آموزش نداده بودند، زیرا مدل SYK را خراب می‌کرد، اما بدست آمدن آن، یک کشف تجربی در مورد هولوگرافی است. جافریس می‌گوید:

ما هیچ چیزی در مورد این ویژگی انتظار نداشتیم، اما متوجه شدیم که ظاهر شده است و این امر «استحکام» دوگانگی هولوگرافیک را تایید کرد. یکی [خاصیت] را ظاهر کنید، سپس بقیه را به دست آورید، که نوعی شاهد برای درستی این تصویر گرانشی هستند.

معنی کرم چاله

جافریس، که هرگز انتظار نداشت بخشی از یک آزمایش کرم‌چاله (یا هر آزمایش دیگری) باشد، فکر می‌کند یکی از مهم‌ترین راهکارها همان چیزی است که این آزمایش در مورد مکانیک کوانتومی می‌گوید. پدیده های کوانتومی مانند درهم تنیدگی معمولاً مبهم و انتزاعی هستند. مثلا ما نمی‌دانیم چگونه اندازه گیری ذره A، وضعیت B را از راه دور تعیین می‌کند، اما در این آزمایش جدید، یک پدیده کوانتومی وصف ناپذیر – تله پورت اطلاعات بین ذرات – یک تعبیر ملموس به عنوان ذره‌ای دارد که انرژی دریافت می‌کند و با سرعت قابل محاسبه‌ای از A به B حرکت می‌نماید.

ساسکیند، که نگاهی اولیه به نتایج مقاله داشت، می‌گوید امیدوار است که آزمایش‌های کرم‌چاله را (که در آینده شامل کیوبیت‌های بیشتری خواهند بود) بتوان برای کاوش درون کرم‌چاله به‌عنوان راهی برای بررسی خواص کوانتومی گرانش استفاده کرد.

برخی از فیزیکدانان خواهند گفت که این آزمایش چیزی در مورد جهان ما به ما نمی‌گوید، زیرا دوگانگی بین مکانیک کوانتومی و فضای پاددوسیته را تحقق می‌بخشد که جهان ما چنین نیست.

۲۵ سال پس از کشف تناظر AdS/CFT توسط مالداسنا، فیزیکدانان به دنبال دوگانگی هولوگرافیک مشابهی برای فضای دوسیته بوده‌اند؛ راهی از یک سیستم کوانتومی به دنیای با انرژی مثبت و در حال انبساط دوسیته که در آن زندگی می‌کنیم. اما پیشرفت در این زمینه بسیار کندتر از  AdS بوده است که باعث می‌شود برخی شک کنند که آیا فضای دوسیته اصلا هولوگرافیک است یا خیر. منتقدان استدلال می‌کنند که این دو نوع فضا کاملاً با هم تفاوت دارند:  AdSیک مرز بیرونی دارد و فضای dS ندارد، بنابراین هیچ تبدیل ریاضی نرمی وجود ندارد که بتواند یکی را به دیگری تبدیل کند.

رنیت لول (Renate Lol)، نظریه‌پرداز برجسته گرانش کوانتومی در دانشگاه رادبود در هلند تأکید کرد که آزمایش کرم‌چاله مربوط به فضازمان دو بعدی است: کرم‌چاله یک رشته است، با یک بعد فضایی به اضافه بعد زمانی – در حالی که گرانش در چهار بُعدی، یعنی فضازمانی که ما واقعاً در آن زندگی می‌کنیم، پیچیده‌تر است. او می‌گوید:

اگرچه کاوش در پیچیدگی‌های مدل‌های اسباب‌بازی‌های دوبعدی نسبتاً وسوسه‌انگیز است، اما با این کار چشم‌انداز چالش‌های متفاوت و بزرگ‌تری را که در گرانش کوانتومی چهاربعدی در انتظار ما هستند، از دست می‌دهیم. برای این نظریه، من فکر نمی‌کنم که رایانه‌های کوانتومی با قابلیت‌های کنونی‌شان بتوانند کمک زیادی کنند، اما اگر چنین شد، من قطعا با خوشحالی نظر خود را اصلاح خواهم کرد.

اکثر محققان گرانش کوانتومی معتقدند که همه اینها مسائل دشوار اما قابل حل هستند. در واقع الگوی درهم تنیدگی که فضای چهار بعدی دوسیته را می‌سازد، پیچیده‌تر از AdS دو بعدی است، اما با این وجود می‌توانیم با مطالعه هولوگرافی در محیط‌های ساده‌تر، بینش‌های کلی‌تری بدست آوریم. این عده تمایل دارند دو نوع فضا، dS و AdS را بیشتر شبیه به هم ببینند تا متفاوت. دو راه حل نظریه نسبیت اینشتین، فقط در یک علامت منفی، با هم تفاوت دارند. هر دو جهان dS و AdS حاوی سیاهچاله‌هایی با پارادوکس‌های یکسان هستند. و هنگامی که در فضای AdS، دور از دیوار بیرونی آن هستید، به سختی می‌توانید محیط اطراف خود را از دوسیته تشخیص دهید. با این حال، ساسکیند موافق است که زمان واقعی شدن فرا رسیده است. او می‌گوید:

من فکر می‌کنم زمان آن فرا رسیده است که از لایه‌ی امن فضای AdS خارج شویم و به دنیایی برویم که ممکن است ارتباط بیشتری با کیهان‌شناسی داشته باشد. فضای دوسیته یک جانور دیگر است.

برای این منظور، ساسکیند ایده جدیدی دارد. او در مقاله‌ای که در ماه سپتامبر در آرشیو منتشر شد، پیشنهاد کرد که شاید فضای دوسیته، هولوگرام یک نسخه متفاوت از مدل SYK باشد (نه نسخه‌ای با برهم‌کنش‌های چهار طرفه ذرات)، اما نسخه‌ای که در آن تعداد ذرات درگیر در هر برهمکنش، به صورت جذر تعداد کل ذرات، افزایش می‌یابد. او معتقد است که این «حد مقیاس دوگانه‌ی»SYK  ، بیشتر شبیه به دوسیته رفتار می‌کند تا Ads. در حال حاضر، اثباتی وجود ندارد، اما شواهد غیرمستقیم وجود دارند. ساسکیند می‌گوید:

این سیستم کوانتومی، پیچیده‌تر از سیستمی است که تاکنون برنامه‌ریزی شده است. من نمی‌دانم که این حد در آزمایشگاه قابل درک است یا خیر. آنچه مسلم به نظر می رسد این است که اکنون که یک کرم چاله هولوگرافیک وجود دارد، تعداد بیشتری نیز ظاهر خواهند شد!

• مقاله اصلی در مجله نیچر
• منبع: quantamagazine