실험 제안이 진행됨에 따라 이것은 분명히 야망이 부족하지 않습니다. 먼저 블랙홀을 가져 가십시오. 이제 양자에 얽힌 두 번째 블랙홀을 만들어냅니다. 이는 블랙홀 중 하나에서 발생하는 모든 것이 얼마나 멀리 떨어져 있는지에 관계없이 다른 사람에게 영향을 미치는 것처럼 보입니다.
.나머지는 조금 더 쉽지만 더 이상한 소리가납니다. 양자 입자로 인코딩 된 첫 번째 블랙홀에 일부 정보를 공급하십시오. 이벤트 지평을 넘어서서 (빛조차도 탈출 할 수없는 지점 - 정보는 블랙홀 전체에 빠르게 번식하고 리콜을 넘어서는 겉보기에 스크램블됩니다.
그러나 인내심이 있습니다 - 두 개의 블랙홀을 올바른 방식으로 연결 한 경우, 짧은 기다린 후 양자 정보는 두 번째 정보에서 튀어 나와 읽기 쉬운 형태로 완전히 초점을 맞출 것입니다. 그곳에 도착하기 위해, 그것은 두 개의 물체를 연결하는 시공간의 지름길을 통해 여행했을 것입니다. 웜홀.
그것은 적어도 물리학 자들이 예측 한 것입니다. 이제 캘리포니아 기술 연구소의 Sepehr Nezami가 이끄는 그룹은 실제로이 특별한 실험을 수행하는 방법을 제안했습니다. 그들은 공동 작업자와 협력하여 아이디어를 테스트하기 시작했습니다.
.예측이 제기되면, 연구는 물리학에서 가장 어려운 이론을 찾을 수있는 곳에 대한 단서를 제공 할 수 있습니다. 그리고 좋은 측정을 위해, 시공간은 우주가 연주하는 기본 배경이 아니라 양자 얽힘에 의해 기술 된 입자들 사이의 상호 연결에서 짜여진다는 생각을 뒷받침 할 것이다.
.정보의 죽음과 부활
이 실험은 당신이 추측 한 바와 같이, 평범한 의미에서 블랙홀이 필요하지 않습니다. 연구원들은 몇 개의 원자 나 이온 만 사용하여 실험실 벤치 탑에서 수행 할 수 있다고 말합니다. 마찬가지로,이 아이디어는 깊고 불안한 질문을 해결하기 위해 고군분투 한 천체 물리적 블랙홀에 대한 이론적 연구에서 발생합니다.
에너지와 같은 정보는 보존 규칙에 순종해야한다고 널리 생각하고 있습니다. 우주의 총 정보는 항상 동일하게 유지 될 것입니다. 그것이 양자 역학이 암시하는 것처럼 보이는 것입니다.
그러나 블랙홀은 우주에서 정보를 제거하는 것 같습니다. 예를 들어 양자 비트 또는 "큐 비트"가 블랙홀에 빠지면 더 이상 이벤트 지평선에서 더 이상 관찰 할 수 없습니다.
이 "블랙홀 정보 역설"의 한 가지 가능한 해상도는 블랙홀이 이벤트 지평에서 방출되는 방사선 내에서 발견 될 수 있습니다. 1970 년대 Stephen Hawking에 의해 예측 된 Hawking Radiation은 블랙홀이 중력 에너지를 잃어 버릴 것입니다. 사실상 블랙홀은 영원하지 않습니다. 그들은 천천히 증발합니다.
호킹은 처음에 블랙홀이 완전히 증발하더라도 소비 한 정보는 영원히 손실 될 것이라고 믿었습니다. 그러나 ADS/CFT 서신으로 알려진 아이디어는 매혹 방사선의 광자가 블랙홀 내부에 대한 정보를 인코딩하여 그 정보를 우주로 다시 전달할 수있는 방법을 보여줍니다.
ADS/CFT 서신은 1997 년 이론적 물리학 자 Juan Maldacena에 의해 가정되었으며, 양자 중력의 이론을 추구하는 가장 유망한 지시 중 하나로 널리 알려져 있습니다. 예를 들어, 4 차원에서 시공간의 물리적 구조는 3 차원 경계에서 양자 이론의 작동과 동일하다는 것을 시사한다.
.이 연결은 이상하고 깊고 놀랍습니다. 안티 데터 공간으로 알려진 특정 종류의 곡률 (및 중력)을 가진 시공간 시간을 구축하면 광고 부분입니다. 수학적 설명은 CFT의 파트 라 (CFT)라고 불리는 일종의 양자 필드 이론에 대한 설명과 동등한 것으로 밝혀졌습니다. 다시 말해서, 대응은 홀로그램처럼 작동합니다. 고차원 시공간 투영의 모든 정보는 저 차원 양자 상호 작용 내에서 인코딩됩니다. 이 "홀로그래피 원리"는 물리학 노벨상 수상자 Gerard 'T Hooft에 의해 처음 제안되었으며 Maldacena의 광고/CFT 서신은 특정 형태의 시공간에 어떻게 작용할 수 있는지에 대한 첫 번째 콘크리트 그림을 제공했습니다.
.이 관점에서, Ads Universe의 연속 공간처럼 보이는 것은 CFT Quantum View에서 얽힘, 즉 양자 비트의 상호 의존성으로 나타납니다. Maldacena는“시공간의 출현은 고도로 얽히고 상호 작용하는 많은 큐빗이있는 시스템에서 발생할 것으로 예상됩니다.” 다시 말해, 양자 얽힘은 그 안에 중력이있는 것으로 보이는 시공간을 생성 할 수 있습니다. 중력은 양자 효과에서 회전 된 것입니다.
빠른 스크램블러
이 모든 것이 블랙홀과 어떤 관련이 있습니까? 블랙홀 정보 역설은 블랙홀에 던져진 정보에 어떤 일이 발생하는지 묻습니다. ADS/CFT 서신은 하나의 제안 된 솔루션의 핵심 구성 요소입니다. 왜냐하면 양자 얽힘에 대한 정보를 매혹하고 돌이킬 수 없을 정도로 손실 될 수있는 수단을 제공하기 때문에 제안 된 솔루션의 핵심 구성 요소입니다.
2004 년에, 2004 년에, 호킹은 어떻게 광고/CFT 추측을 가정 함으로써이 정보를 완전히 회복 할 수 있습니다. 증발. 캘리포니아 대학교의 Norman Yao, Berkeley는 다음과 같이 설명했습니다.“당신이 신 이었고이 매를 다루는 광자를 모두 모았다면 원칙적으로 불경건 한 계산이 있습니다.
블랙홀의 증발의 중간 지점까지 내부의 정보는 숨겨져 있습니다. 그러나 그 시점 이후 블랙홀은 호킹 방사선에 정보를 공개하기 시작합니다. 그래서 당신은 당신이 그것을 시작하기 전에 오래 기다립니다. 그리고 1993 년 앨버타 대학교의 물리학 자 Don Page에 의해 제기 된 주장에 따르면, 그것은 일정한 속도로 점차적으로 스며들 것입니다.
그러나 2007 년 Patrick Hayden과 John Preskill은 실제로 중간 지점 이후 정보가 그보다 더 빠르게 등장 함을 보여 줌으로써이 그림을 수정했습니다. 이상하게도 블랙홀이 반성이되면 더 이상의 양자 정보가“문자 그대로 바로 튀어 나온다”고 Yao는 말했다. 블랙홀은 해당 단계별로 매혹 된 방사선에 너무 정량화되어 이미 방출되는 추가 방사선에서 한 번에 효과적으로 등록되어 이미 방출되었다는 것이 이미 방출 되었기 때문입니다. 블랙홀, 헤이든과 프레 스킬은 말했다.
Hayden과 Preskill은 Black Hole Thermodynamics와 Quantum Information 이론 사이의 연결에 부딪 쳤습니다. 이 효과는 열화라고 불리는 과정 인 평형과 관련하여 시간이 지남에 따라 시스템에 열이 고르게 분포되는 방식과 같습니다. Yao는 현지화 된 에너지 포켓이 포함 된 두 개의 시스템을 만들고 접촉하게한다고 상상해보십시오. 에너지는“초기 시작 상태의 기억을 잃어 버렸고 더 이상 구별 할 수 없을 때까지 두 시스템 전체에 퍼질 것입니다.
.스크램블링은 본질적으로 동일하지만 훨씬 더 강력합니다. 로컬로만 보일뿐만 아니라 두 시스템의 상관 관계에 있어도 두 개의 스크램블 시스템을 구별 할 수 없습니다. Yao는“스크램블링은 매우 강력한 형태의 열화입니다. "이것은 양자 정보의 비편성입니다."
구글과 스탠포드 대학교의 물리학자인 아담 브라운은“이것은 셔플 링의 양자 유사체이다. “주문한 카드 팩으로 시작하면 카드를보고 카드가 남아 있지 않다고 말하면 셔플 링되었다고 말합니다. 이것은 당신이 완전히 무작위로 만들었다 고 말하는 것과 같지 않습니다. 무작위가 아니라는 것을 알기 위해 매우 정교해야 할 정도로 충분히 혼합되어 있습니다. 진정한 무작위성보다 훨씬 빨리 발생합니다.”
"거의 모든 바디 양자 시스템이 결국 스크램블 될 것"이라고 덧붙였다. 그러나 블랙홀은 특별합니다. 카드 팩이 섞인 속도가 사용하는 기술에 따라 달라지는 것처럼 시스템의 스크램블링 속도는 해당 시스템의 입자가 상호 작용하는 방식에 따라 다릅니다. 이 세부 사항은 수학적으로 Hamiltonian이라는 기능으로 설명됩니다. 그리고 블랙홀을 통치하는 해밀턴은 가능한 가장 빠른 속도로 양자 정보를 스크램블하는 것을 의미합니다.
이것이 바로 Hayden과 Preskill의 결론으로 이어지는 이유입니다. 블랙홀은 빠른 양자 스크램블링 회로처럼 작용하므로 일단 자신의 호킹 방사선으로 충분히 얽히게되면 그 방사선에 들어가는 새로운 정보가 매우 빠르게 나타납니다.
.마찬가지로, 블랙홀과 호킹 방사선이 충분히 얽히게 될 때까지 기다려야합니다.
그러나 정보를 얻기위한 더 빠른 대안이 있습니다. 다른 블랙홀처럼 다른 것들로 블랙홀을 최대로 얽습니다. 이것이 바로 2016 년에 Ping Gao와 Harvard University의 Daniel Jafferis가 제시 한 제안으로 뉴저지 주 프린스턴의 고급 연구 연구소에서 Aron Wall과 함께 일했습니다. 이런 식으로 한 쌍의 블랙홀을 얽매일 수 있다면 첫 번째 블랙홀에 의해 삼키는 큐 비트가 다른 블랙홀에 등록 될 것이라고 말했다. GAO와 동료들은 블랙홀 사이의 추가 커플 링을 추가함으로써 양자 텔레 포트 (Quantum Teleportation)라는 프로세스와 공식적으로 동일하게 양자 정보를 전달할 수있는 방법을 보여주었습니다. 여기서 두 입자 사이의 얽힘은 그 중 하나의 양자 상태를 다른 입자로 전달하는 데 사용됩니다. 표적 입자는 초기 입자와 동일하게 보인다. Yao는“그들의 얽힘은 다리처럼 행동한다”고 말했다.
야오는 블랙홀의 역학을 갖춘 시스템으로“가능한 가장 빠른 시간에 순간 이동을 허용한다”고 설명했다. 그 중 하나에 들어가는 모든 정보는 모든 입자들 사이에서 빠르게 공유되기 때문입니다. 따라서 두 번째 블랙홀과의 얽힘으로 인해 그와 신속하게 공유되기 때문입니다.
.양자 순간 이동은 실험적으로 여러 번 입증되었으며 이미 양자 장치간에 안전하게 암호화 된 정보를 보내는 데 사용되고 있습니다. 그러나 신호를 해독 할 수 없기 때문에 메시지를 즉시 보낼 수는 없습니다. 일부 고전적인 메커니즘으로 추가 정보가 없으면 무작위로 보일 수 없으므로 빛보다 더 빨리 이동할 수 없습니다. Hayden 's의 전 박사 과정 학생 인 Nezami는 GAO와 동료들이 제안한 것과 같은 계획이 얽힘을 넘어 블랙홀을 결합하는 몇 가지 추가 수단을 요구하는 이유라고 설명했다. "커플 링의 역할은 필수 고전적인 데이터를 보내는 것입니다. 얽힘의 도움으로 신호를 한 블랙홀에서 다른 블랙홀로 순간 이동시키는 것입니다."
이것은 적어도 양자 정보 이론가가 프로세스를 보는 방법입니다. 그러나 ADS/CFT 서신에 따르면, 얽힘에 의해 생성 된 블랙홀 사이의 채널은 일반 상대성 이론에 기초한 설명에서 그것들을 연결하는 시공간의 웜홀과 동일합니다. 이 관점에서 큐 비트는 하나의 블랙홀로 들어가 웜홀을 다른 곳으로 이동합니다.
일반적으로 일반적인 상대성에 의해 허용되는 이러한 벌레 구멍은 변환 불가능한 것으로 생각되었습니다. 실제로는 아무것도 보낼 수 없었습니다. 그러나 GAO, Jafferis 및 Wall은 양자 정보 이론과 순간 이동이 어떻게 (광고/CFT 사진 내에서) 사용하여 가로 질 수있는 벌레 구멍을 만들 수있는 방법을 보여주었습니다.
실험 벌레 홀
ADS/CFT 서신이 실제 인 경우, 관점에서 급진적 인 변화를 허용합니다. 원칙적으로, 연구자들은 올바른 방식으로 양자 회로를 얽히고 그들 사이의 큐브를 순간 이동시켜 웜홀 연결 블랙홀과 완전히 동등한 시스템을 구성 할 수 있습니다.
.네자미와 브라운은 스탠포드의 Leonard Susskind, 메릴랜드 대학교, 대학 공원의 Brian Swingle 및 다른 사람들과 함께 일하는 방법에 대한 실질적인 제안을 내놓았습니다. 이 맥락에서 양자 입자 그룹이 블랙홀처럼 작용하는 데 필요한 것은 상호 작용을 상호 작용하는 해밀턴을 매우 빠른 스크램블러로 만드는 것입니다.
Quantum Scrambling은 실제로 작년에 처음으로 명백하게 보여졌습니다. Yao와 그의 동료 인 Beni Yoshida의 실험 제안을 채택한 메릴랜드의 Christopher Monroe와 그의 동료들은 양자 상태가 얽힌 전기적으로 갇힌 이온으로 만든 양자 회로를 만들었습니다. 이와 같은 실제 시스템에서 스크램블링은 고전적인 소음, 특히 양자 디코 언어와 같은 다른 무례한 프로세스 중에서도 발견하기가 어려울 수 있습니다. 스크램블링과 마찬가지로, 디코 언어는 입자의 상호 작용과 결과적으로 얽히게됩니다. 그러나이 경우 양자 시스템 자체를 둘러싼 환경의 입자입니다. 디코 언어가 진행됨에 따라 정보는 환경으로 유출되며 본질적으로 유선을 위해 손실됩니다. 디코 언어는 완전히 피하기가 불가능하므로 양자 컴퓨터의 버그 부류가됩니다. 디코 언가 정보를 무작위로 만들기 전에 모든 양자 계산이 완료되어야합니다.
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일반적으로 디코 언어는 스크램블링보다 빠르게 발생하는 경향이 있으므로 후자를 명확하게보기는 매우 어려웠습니다. Monroe의 팀은 연속으로 유지 된 7 개의 커플 링 된 Ytterbium 이온으로 만들어진 회로로 인코딩 된 양자 순간 이동 알고리즘을 사용하여 두 사람을 구별하는 방법을 알아 냈습니다. 사실상 양자 계산 과정은 행의 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝에서 단일 큐 비트를 순간 이동시켰다. 스크램블링 속도를 측정하기 위해 연구원들은 알고리즘이 앞으로 진화 한 다음 (“시간이 지남에 따라”일어나고있는 것처럼) 순간 이동 프로세스를 비교했습니다. 스크램블링이 없으면 두 프로세스는 여전히 관련되어 있습니다. 그러나 스크램블링이 처음에 다른 큐브로 인코딩 된 정보가 다른 큐브로 인코딩되면, 전방 및 후진 계산의 결과는 상관 관계가 덜됩니다. 시스템은 초기 상태에서 변경되었으므로 순간 이동을 정확하게 반전시킬 수 없습니다. Monroe는“그들이 상관 관계가 있다면 많은 일이 일어나지 않습니다. "그러나 스크램블이 있으면 상관 관계가 0이됩니다." 그것이 시간이 지남에 따라 그들이 본 것입니다.
Brown과 동료들은 이제 양자 회로가 이와 같은 매우 Quantum 회로가 GAO, Jafferis 및 Wall이 구상 한 상황의 간단한 아날로그를 만들 수 있다고 제안합니다. 그들이 상상하는 버전에서, 두 개의 블랙홀 각각은 단지 몇 가지 큐빗으로 구성되어 있으며, 모두 서로 최대로 얽혀 있습니다. 그들의 프로토콜은 GAO와 동료들이 순간 이동 프로세스를 완료하기 위해 필요한 추가 채널 역할을하는이 두 그룹의 큐 비트 사이의 추가 상호 작용을 소개합니다.
.직관은 전자기 트랩의 소수의 이온이 빛이 탈출 할 수없는 무너진 별과 다르다고 말합니다. 그러나 여기에 마음이 구부러진 것입니다. ADS/CFT 서신이 옳다면,이 실험은 블랙홀의 실험실 아날로그 이상입니다. 두 가지 유형의 시스템은 전적으로 동일합니다. 결합 된 이온은 정확하게 광고 공간에서 (매우 작은) 블랙홀이 어떻게 보일지 정확히 알 수 있습니다. Maldacena의 추측이 우주가 구성되는 방식에 대해 실제 무언가를 말해주는 방법에 대한 그림입니다. 산산이 부서 질 것입니다.
새로운 연결
지난 10 월 메릴랜드 동료 Monroe와 대화를 나누면서 Swingle은 그의 벌레 홀과 같은 양자 회로를 설명했습니다. Monroe는 그것이 그의 팀이 양자 스크램블링을 보여주기 위해 사용한 일종의 회로라는 것을 인식했습니다. Monroe는 블랙홀에서 양자 정보를 복구하기 위해 양자 얽힘을 사용하는 Hayden과 Preskill의 아이디어를 알고 있었지만 그의 팀은 중력과의 연결에 대해 생각하지 않고 Quantum Scrambling을 보여주기 위해 회로를 선택했다고 말했다.
.Swingle과 동료가 고안 한 회로를 실제로 건설 할 수 있다면 예측 효과를 찾는 것이 다소 간단해야합니다. 그 일이 할 수 있습니까? Monroe는“절대적으로”말했다. 하나가 기대할 수있는 것은 먼저 두 개의 검은 색 유형의 큐 비트 시스템 중 하나에 공급 된 양자 비트가 스크램블되어 사라질 것임을 알 수 있습니다. 그러나 예측 가능한 시간이 지나면 다른 큐 비트 그룹에서 웜홀을 뛰어 넘어 다시 튀어 나와서 다시 튀어 나올 것입니다. 놀랍게도 정보가 전송되는 것은 그리 많지 않습니다. 결국 두 시스템이 결합됩니다. 최초의 "블랙홀"이 완전히 스크램블 되었음에도 불구하고 정보가 읽을 수있는 형태로 다시 나타나서 디코딩이 필요하지 않습니다.
이 단계에서, 양자 회로를 사용한 실험은 일반 상대성으로 설명 된 우리가 거주하는 시공간의 단순화 된 장난감 모델 만 만들기를 희망 할 수 있습니다. Maldacena는“목표가 아인슈타인의 방정식에 의해 지배되는 시공간 시간을 얻는 것이라면, 그것을 생산하는 것으로 알려진 유일한 시스템은 매우 특별하고 아마도 실험실에서 만들기가 어렵다”고 말했다. 그러나 그는“이 저자들의 목표는 중력의 특징을 가질만큼 충분히 복잡한 시스템을 만드는 것입니다.
그러한 실험의 결과가 예측을 설명한다면, ADS/CFT 서신이 정확한 것으로 판명됩니까? 그것은 당신의 관점에 달려 있습니다. 표준 양자 이론과 완전히 일치하지 않는 이러한 양자 회로의 이론적 분석에는 아무것도 없습니다. 그러나 중력의 언어에서 무슨 일이 일어나고 있는지, 즉 웜홀을 따라 통과하는 것이 더 간단하고 경제적입니다. Brown은“Schrödinger 방정식을 사용하여 모든 것을 설명 할 수는 있지만 블랙홀을 호출하는 훨씬 간단한 설명이 있습니다.
그리고 물리학의 목표가 아니고, 스윙 엘에게, 그러한 경제를 찾고, 그 설명에 의미있는 현실을 징수하도록 요구합니까? 예를 들어, 전자파 기능 측면에서 초전도성 (또 다른 양자 현상)을 설명 할 수 있습니다. 그러나“quasiparticle”그림을 사용하는 것이 훨씬 간단합니다. 소위 쿠퍼 쌍의 얽힌 전자 쌍을 고려하는 것이 훨씬 간단합니다. 우리는이 준 입자의 현실에 의문을 제기하지 않습니다. 왜 우리는 왜 Qubit Wormholes의 현실을 부정해야합니까?
이러한 이유로 Monroe는“원자 관찰에서 우리는 원자와 관련이없는 것에 대해 배울 수있다”, 즉 블랙홀이라고 말했다. 그리고 많은 퀘이트 시스템을 사용하는보다 야심 찬 실험의보다 야심 찬 버전은 시공간 자체의 흥미로운 특성을 드러낼 수 있습니다. Maldacena는“이러한 실험을 수행 할 수 있다면 양자 시스템에서 시공간의 출현의 더 많은 측면을 테스트 할 수있는 점점 더 복잡한 얽힌 시스템을 만들 수있을 것입니다. Nezami가 추가되었습니다.“이 유형의 정교한 실험은 문자열 이론의 수학에 대한 실험적 프로브를 제공 할 수도 있습니다.”
.이러한 실험에 대한 전망에 관해서는, 스윙 엘은 콘크리트 계획이 아직 등장하지는 않았지만 양자 스크램블링 회로를 이러한 멀리 떨어진 아이디어에 대한 직접 테스트에 적응하는 것에 대해 다양한 실험가들과 이야기하고 있다고 말했다. 그러나 대화 자체는 이정표입니다. 브라운은“여기서 우리는 양자 중력의 이론적 물리학 자들이 실험 원자 물리학 자와 이야기하는 것을 가지고있다”고 말했다. “역사적으로 그들은 물리 부서의 두 그룹만큼 멀리 떨어져있었습니다. 그래서 이것은 새로운 것이고 훌륭합니다.”
이 기사는 에 재 인쇄되었습니다 theatlantic.com .
