211service.com
Hvordan et bordeksperiment kunne teste virkelighetens grunnfjell
Diagram på toppen av skybildet Kildefoto: Unsplash
Her er et nysgjerrig tankeeksperiment. Se for deg en sky av kvantepartikler som er sammenfiltret – med andre ord, de deler den samme kvanteeksistensen. Oppførselen til disse partiklene er kaotisk. Målet med dette eksperimentet er å sende en kvantemelding på tvers av dette settet med partikler. Så meldingen må sendes til den ene siden av skyen og deretter trekkes ut fra den andre.
Det første trinnet er da å dele skyen på midten slik at partiklene til venstre kan kontrolleres separat fra de til høyre. Det neste trinnet er å injisere meldingen i den venstre delen av skyen, hvor den kaotiske oppførselen til partiklene raskt forvrider den.
Kan en slik melding noen gang dekrypteres?
I en ny artikkel diskuterer Adam Brown ved Google i California og en rekke kolleger, inkludert Leonard Susskind ved Stanford University, strengteoriens far, nøyaktig hvordan en slik melding overraskende kan få til å dukke opp igjen.
Overraskelsen er det som skjer videre, sier de. Etter en periode hvor meldingen virker grundig forvrengt, dekrypteres den brått og gjenopprettes på et punkt langt unna der den opprinnelig ble satt inn. Signalet har uventet refokusert, uten at det i det hele tatt er åpenbart hva det var som fungerte som linsen, sier de.
Men det virkelig ekstraordinære de påpeker er at et slikt eksperiment kaster lys over et av universets dypeste mysterier: tyngdekraftens og romtidens kvantenatur.
Først litt bakgrunnsforklaring. Nøkkelen til å forstå dette tankeeksperimentet ligger i naturen til fremvoksende fenomener. Brown og co sier at kvantesystemer kan vise fremkommende fenomener på akkurat samme måte som vanlige systemer gjør.
For eksempel, når to personer snakker med hverandre, er fenomenet vanskelig å forstå fra synspunktet om å modellere hvert enkelt molekyl i luften. Rommet de snakker i kan inneholde en milliard milliarder milliarder molekyler, hver av dem kolliderer med hverandre hvert tiende av et nanosekund.
Samtalen fortsetter uansett. Kommunikasjon er mulig til tross for kaoset fordi systemet likevel har fremvoksende kollektive moduser – lydbølger – som oppfører seg på en ryddig måte, skriver Brown og kollegene.
Et lignende fenomen opererer på kvantenivå. Og det er dette fremvoksende fenomenet, hevder Brown og hans kolleger, som refokuserer kvantebudskapet i det tidligere eksemplet.
Når kvanteeffekter er viktige, kan komplekse sammenfiltringsmønstre gi opphav til kvalitativt nye typer fremvoksende kollektive fenomener, skriver de. Et ekstremt eksempel på denne typen fremvekst er nettopp den holografiske genereringen av romtid og gravitasjon fra sammenfiltring, kompleksitet og kaos.
Det er derfor dette tankeeksperimentet er gjenstand for så stor interesse. Det lar fysikere tenke på et enkelt eksempel på et fremvoksende kvantefenomen og hvordan de kan lage og teste et i laboratoriet.
Så hvordan kan de gå frem for et slikt eksperiment? Brown og co sier det er flere måter å nærme seg det på. Det første trinnet er å lage et sett med sammenfiltrede kvantetilstander som deretter kan deles i to sett for å håndteres separat.
En måte å gjøre dette på er å lage en samling sammenfiltrede par kjent som Bell-par. Brown og co bemerker at disse parene allerede er skapt ved bruk av rubidiumatomer og med fangede ioner.
Det neste trinnet er å sette inn kvanteinformasjon i halvparten av disse kvantetilstandene. Det siste trinnet er å kontrollere kvanteutviklingen til den andre halvdelen av kvantetilstandene på en måte som lar meldingen dukke opp igjen.
Imidlertid er det allerede utført eksperimenter som oppnår slik kvantekryptering, der informasjon spres gjennom et kvantesystem og deretter gjenvinnes. Spesielt publiserte en gruppe ved University of Maryland, College Park, sammen med samarbeidspartnere ved University of California, Berkeley og Perimeter Institute of Theoretical Physics i Waterloo, Ontario. en artikkel i Nature i mars 2019 og beskrev deres vellykkede innsats for å gjøre nettopp det.
De brukte en kvantedatamaskin bestående av en kjede av ni ytterbiumioner som kjøles ned av lasere mens de holdes i en radiofrekvensfelle. UMD-forskerne implementerte en syv-qubit-krets i de midterste syv av de ni ionene. Den første qubiten ble forvrengt til tre par qubits, og spredte informasjonen den inneholdt til seks qubits totalt (hvorav den ene var den originale qubiten). De målte deretter den syvende qubiten, som hadde blitt paret med den sjette qubiten. Med en troskap på omtrent 80 % ble den syvende qubit funnet å være i en kvantetilstand som ikke kan skilles fra den opprinnelige første qubit.
Å tolke dette resultatet er ikke enkelt, men gruppen utførte flere kontrolleksperimenter som, av tekniske årsaker som er for subtile til å forklare her, bekreftet deres påstand om at informasjonen som opprinnelig ble kodet bare i den første qubiten, virkelig ble delokalisert over hele systemet.
Den scrambling-induserte teleporteringen observert i vårt eksperiment kan omtolkes som å simulere forplantningen av informasjon gjennom et traverserbart ormehull som forbinder et par sorte hull, bemerker Nature-avisen.
Slike eksperimenter antyder en rekke spennende muligheter. Evnen til å leke med analoger til en fremvoksende form for romtid gjør det mulig å teste visse ideer om kvantetyngdekraften.
Brown og co er tydelig spente. De skriver: Teknologien for kontroll av komplekse kvante-mangekroppssystemer går raskt fremover, og vi ser ut til å være ved begynnelsen av en ny æra innen fysikk – studiet av kvantetyngdekraften i laboratoriet.
Ref: arxiv.org/abs/1911.06314 : Kvantetyngdekraft i laboratoriet: Teleportering etter størrelse og bevegelige ormehull.
Rettelse: 14. januar 2020
Denne historien sa opprinnelig: Poenget er at denne typen eksperimenter er utenfor tilstanden til den nåværende kvantekunsten. Men det kan være mulig i løpet av de neste årene, gitt hastigheten som fysikere utvikler sine kvanteferdigheter. Denne uttalelsen var feil. Teksten er redigert for å gjenspeile en eksperiment med fanget ion rapportert i 6. mars 2019, utgaven av Nature som oppnår nøyaktig den typen kryptering, teleportering og dekoding som ble diskutert.
Denne historien har blitt ytterligere redigert fra den originale versjonen for å gjenspeile det faktum at selv om papiret av Brown et al. publisert 14. november 2019, er absolutt tankevekkende, det er ikke det første papiret som antyder at tabletop quantum computing eksperimenter kan være en nyttig og interessant måte å få innsikt i kvantegravitasjon.
Denne historien har også blitt redigert gjennom for klarhet.
MIT Technology Review beklager feilene.