Quantencomputer werden zur Modellierung von Wurmlöchern verwendet

Physiker, Mathematiker, Astronomen und sogar Filmemacher sind seit langem vom Konzept eines Wurmlochs fasziniert: ein unvorhersehbares und oft flüchtiges Phänomen, von dem angenommen wird, dass es Tunnel (und Abkürzungen zwischen zwei entfernten Orten) durch die Raumzeit schafft. Eine andere Theorie besagt, dass man ein Wurmloch erschaffen kann, wenn man zwei Schwarze Löcher richtig miteinander verbindet.

Das Studium von Wurmlöchern ist wie das Zusammensetzen eines unvollständigen Puzzles, ohne zu wissen, wie das endgültige Bild aussehen soll. Sie können ungefähr ableiten, was in die Lücken gehen soll, basierend auf den fertigen Bildern um sie herum, aber Sie können es nicht genau wissen. Das liegt daran, dass es noch keinen endgültigen Beweis dafür gibt, dass es tatsächlich Wurmlöcher gibt. Einige der Lösungen grundlegender Gleichungen und Theorien in der Physik legen jedoch nahe, dass eine solche Entität existiert.

Um die Eigenschaften dieses kosmischen Phantoms auf der Grundlage dessen, was bisher abgeleitet wurde, zu verstehen, haben Forscher von Caltech, Harvard, MIT, Fermilab und Google einen kleinen „Wurmloch“-Effekt zwischen zwei Quantensystemen geschaffen, die auf demselben Prozessor sitzen. Außerdem konnte das Team dadurch ein Signal senden.

Entsprechend QuantenDamit liegt das Caltech-Google-Team vor einem IBM-Quantinuum-Team, das ebenfalls versucht hat, Wurmloch-Teleportation zu etablieren.

Obwohl das, was sie geschaffen haben, leider kein echter Riss durch das Gewebe der Raumzeit ist, ahmt das System die bekannte Dynamik von Wurmlöchern nach. In Bezug auf die Eigenschaften, die Physiker normalerweise berücksichtigen, wie positive oder negative Energie, Schwerkraft und Teilchenverhalten, sieht die Computersimulation effektiv aus und funktioniert wie ein winziges Wurmloch. Dieses Modell, sagte das Team in einer Pressekonferenz, ist eine Möglichkeit, die grundlegenden Probleme des Universums in einer Laborumgebung zu untersuchen. Ein Papier, das dieses System beschreibt, wurde diese Woche in der Zeitschrift veröffentlicht Natur.

„Wir haben ein Quantensystem gefunden, das Schlüsseleigenschaften eines Gravitationswurmlochs aufweist, aber klein genug ist, um es auf heutiger Quantenhardware zu implementieren“, sagte Maria Spiropulu, Physikprofessorin am Caltech, in einer Pressemitteilung. „Diese Arbeit stellt einen Schritt in Richtung eines größeren Programms zum Testen der Quantengravitationsphysik mit einem Quantencomputer dar.“

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Quantengravitation ist eine Reihe von Theorien, die postulieren, wie die Regeln der Schwerkraft (die beschreibt, wie sich Materie und Energie verhalten) und der Quantenmechanik (die beschreibt, wie sich Atome und Teilchen verhalten) zusammenpassen. Forscher haben noch nicht die genaue Gleichung, um die Quantengravitation in unserem Universum zu beschreiben.

Obwohl Wissenschaftler seit rund 100 Jahren über die Beziehung zwischen Gravitation und Wurmlöchern nachdenken, dachte man erst 2013, dass die Verschränkung (ein Phänomen der Quantenphysik) in die Verbindung einfließt. Und 2017 schlug eine andere Gruppe von Wissenschaftlern vor, dass durchquerbare Wurmlöcher ähnlich wie Quantenteleportation funktionieren (bei der Informationen mithilfe von Verschränkungsprinzipien durch den Raum transportiert werden).

In dem neuesten Experiment, das auf nur 9 Qubits (dem Quantenäquivalent von Binärbits in der klassischen Computertechnik) in Googles Sycamore-Quantenprozessor ausgeführt wird, verwendete das Team maschinelles Lernen, um eine vereinfachte Version des Wurmlochsystems einzurichten, „das im Strom codiert werden könnte Quantenarchitekturen und das würde die Gravitationseigenschaften bewahren“, erklärte Spiropulu. Während des Experiments zeigten sie, dass Informationen (in Form von Qubits) durch ein System gesendet werden können und auf dem anderen System in der richtigen Reihenfolge wieder erscheinen – ein Verhalten, das einem Wurmloch ähnelt.

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Wie gehen Forscher also vor, um ein kleines Universum in einer Kiste mit eigenen speziellen Regeln und Geometrien einzurichten? Laut Google ermöglichte eine spezielle Art der Korrespondenz (technisch bekannt als AdS/CFT) zwischen verschiedenen physikalischen Theorien den Wissenschaftlern, ein hologrammähnliches Universum zu konstruieren, in dem sie „Objekte im Weltraum mit bestimmten Ensembles interagierender Qubits auf der Oberfläche verbinden“ können. Forscher schrieben in einem Blogbeitrag. „Dadurch können Quantenprozessoren direkt mit Qubits arbeiten und gleichzeitig Einblicke in die Raumzeitphysik geben. Indem wir die Parameter des Quantencomputers sorgfältig definieren, um ein bestimmtes Modell zu emulieren, können wir Schwarze Löcher betrachten oder sogar noch weiter gehen und zwei Schwarze Löcher betrachten, die miteinander verbunden sind – eine Konfiguration, die als Wurmloch bekannt ist.“

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Die Forscher nutzten maschinelles Lernen, um das perfekte Quantensystem zu finden, das einige wichtige Gravitationseigenschaften bewahrt und die Energiedynamik aufrechterhält, die das Modell darstellen sollte. Außerdem mussten sie Teilchen namens Fermionen simulieren.

Das Team stellte in der Pressekonferenz fest, dass es starke Beweise dafür gibt, dass unser Universum nach ähnlichen Regeln funktioniert wie das auf dem Quantenchip beobachtete Hologramm-Universum. Die Forscher schrieben im Google-Blogeintrag: „Die Schwerkraft ist nur ein Beispiel für die einzigartige Fähigkeit von Quantencomputern, komplexe physikalische Theorien zu untersuchen: Quantenprozessoren können Einblicke in Zeitkristalle, Quantenchaos und Chemie geben.“

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