211service.com
Jak by stolní experiment mohl otestovat základní kámen reality
Diagram v horní části obrázku cloudu Zdroj foto: Unsplash
Zde je zajímavý myšlenkový experiment. Představte si mrak kvantových částic, které jsou propletené – jinými slovy, sdílejí stejnou kvantovou existenci. Chování těchto částic je chaotické. Cílem tohoto experimentu je poslat kvantovou zprávu přes tuto sadu částic. Takže zpráva musí být odeslána na jednu stranu cloudu a poté extrahována z druhé.
Prvním krokem je tedy rozdělení mraku uprostřed tak, aby částice nalevo mohly být ovládány odděleně od těch napravo. Dalším krokem je vložení zprávy do levé části mraku, kde ji chaotické chování částic rychle zašifruje.
Lze vůbec takovou zprávu dešifrovat?
V novém článku Adam Brown z Googlu v Kalifornii a řada kolegů, včetně Leonarda Susskinda ze Stanfordské univerzity, otce teorie strun, přesně diskutují o tom, jak je možné, aby se taková zpráva překvapivě znovu objevila.
Překvapením je, co se stane potom, říkají. Po určité době, kdy se zpráva zdá být důkladně zašifrovaná, se náhle dešifruje a znovu se spojí v bodě daleko od místa, kde byla původně vložena. Signál se nečekaně přeostřil, aniž by bylo vůbec zřejmé, co to bylo, co fungovalo jako čočka, říkají.
Ale skutečně mimořádná věc, na kterou poukazují, je, že takový experiment vrhá světlo na jednu z nejhlubších záhad vesmíru: kvantovou povahu gravitace a časoprostoru.
Nejprve nějaké vysvětlení pozadí. Klíč k pochopení tohoto myšlenkového experimentu spočívá v povaze emergentních jevů. Brown a spol. říkají, že kvantové systémy mohou zobrazovat vznikající jevy stejným způsobem jako běžné systémy.
Například, když spolu dva lidé mluví, je tento jev těžko pochopitelný z hlediska modelování každé jednotlivé molekuly ve vzduchu. Místnost, ve které mluví, může obsahovat miliardu miliard miliard molekul, z nichž každá se každou desetinu nanosekundy srazí s jinou.
Rozhovor stejně pokračuje. Komunikace je možná navzdory chaosu, protože systém má přesto vznikající kolektivní módy – zvukové vlny – které se chovají uspořádaně, píší Brown a jeho kolegové.
Podobný jev funguje na kvantové úrovni. A právě tento vznikající fenomén, tvrdí Brown a jeho kolegové, přeorientuje kvantovou zprávu v předchozím příkladu.
Když jsou kvantové efekty důležité, složité vzorce zapletení mohou dát vzniknout kvalitativně novým druhům vznikajících kolektivních jevů, píší. Jedním extrémním příkladem tohoto druhu vzniku je právě holografické generování časoprostoru a gravitace ze zapletení, složitosti a chaosu.
Proto je tento myšlenkový experiment předmětem tak velkého zájmu. Umožňuje fyzikům přemýšlet o jednoduchém příkladu vznikajícího kvantového jevu a o tom, jak by jej mohli vytvořit a otestovat v laboratoři.
Jak by tedy mohli přistoupit k takovému experimentu? Brown a spol. říkají, že existuje několik způsobů, jak k tomu přistupovat. Prvním krokem je vytvoření sady zapletených kvantových stavů, které lze poté rozdělit do dvou sad, se kterými se bude pracovat samostatně.
Jedním ze způsobů, jak toho dosáhnout, je vytvořit sbírku propletených párů známých jako Bell pairs. Brown a spol. poznamenávají, že tyto páry již byly vytvořeny pomocí atomů rubidia a se zachycenými ionty.
Dalším krokem je vložení kvantové informace do jedné poloviny těchto kvantových stavů. Posledním krokem je řídit kvantovou evoluci druhé poloviny kvantových stavů způsobem, který umožní, aby se zpráva znovu objevila.
Byly však již provedeny experimenty, které dosáhnou takového kvantového scramblingu, při kterém se informace šíří v celém kvantovém systému a následně se obnovují. Zejména skupina na University of Maryland, College Park, spolu se spolupracovníky na University of California, Berkeley a Perimeter Institute of Theoretical Physics ve Waterloo, Ontario, zveřejnila papír v přírodě v březnu 2019 popisující jejich úspěšnou snahu udělat právě to.
Použili kvantový počítač obsahující řetězec devíti ytterbiových iontů, které jsou chlazeny lasery, zatímco jsou drženy v radiofrekvenční pasti. Výzkumníci UMD implementovali sedmi-qubitový obvod ve středních sedmi z devíti iontů. První qubit byl zakódován do tří párů qubitů a informace, které obsahoval, se rozšířily do celkem šesti qubitů (jeden z nich byl původní qubit). Potom změřili sedmý qubit, který byl spárován se šestým qubitem. S věrností asi 80 % bylo zjištěno, že sedmý qubit je v kvantovém stavu nerozeznatelném od původního prvního qubitu.
Interpretace tohoto výsledku není přímočará, nicméně skupina provedla několik kontrolních experimentů, které z technických důvodů příliš rafinovaných na to, aby je zde bylo možné vysvětlit, potvrdily jejich tvrzení, že informace původně zakódované pouze v prvním qubitu byly skutečně delokalizovány v celém systému.
Teleportaci vyvolanou kódováním pozorovanou v našem experimentu lze reinterpretovat jako simulaci šíření informací skrz prostupnou červí díru, která spojuje pár černých děr, poznamenává list Nature.
Takové experimenty naznačují řadu vzrušujících možností. Schopnost hrát si s analogy vznikající formy časoprostoru umožňuje testovat určité představy o kvantové gravitaci.
Brown a spol jsou zjevně nadšení. Píší: Technologie pro řízení složitých kvantových mnohotělesných systémů rychle postupuje a zdá se, že jsme na úsvitu nové éry ve fyzice – studia kvantové gravitace v laboratoři.
Ref: arxiv.org/abs/1911.06314 : Kvantová gravitace v laboratoři: Teleportace podle velikosti a průchodné červí díry.
Oprava: 14. ledna 2020
Tento příběh původně řekl: Pointa je, že tento druh experimentu přesahuje stav současného kvantového umění. Ale mohlo by to být možné v příštích několika letech, vzhledem k rychlosti, s jakou fyzici rozvíjejí své kvantové dovednosti. Toto prohlášení bylo nesprávné. Text byl upraven tak, aby odrážel a experiment se zachycenými ionty hlášeno ve vydání Nature ze 6. března 2019, které provádí přesně ten druh kódování, teleportace a dekódování, o kterém se diskutovalo.
Tento příběh byl oproti původní verzi dále upraven, aby odrážel skutečnost, že ačkoliv článek Browna a kol. zveřejněné 14. listopadu 2019, je jistě podnětné, není to první článek, který naznačuje, že stolní kvantové počítačové experimenty mohou být užitečným a zajímavým způsobem, jak získat vhled do kvantové gravitace.
Tento příběh byl také celý upraven kvůli přehlednosti.
MIT Technology Review lituje chyb.