Հայացք դեպի քվանտային գրավիտացիա. Առաջին անգամ սիմուլացվել է հոլոգրաֆիկ որդնախոռոչով ինֆորմացիայի անցումը
Օրերս որոշ լրատվամիջոցներում հայտնվեցին «սենսացիոն» վերնագրեր, ըստ որոնց գիտնականներին հաջողվել է որդնախոռոչ ստեղծել ու դրանով ինֆորմացիա փոխանցել: Որդնախոռոչները հարաբերականության ընդհանուր տեսությունից բխող հիպոթետիկ օբյեկտներ են, որոնք միմյանց են կապում տարածության ու ժամանակի տարբեր կետերը: Դրանց ֆիզիկական գոյությունն առայժմ հաստատված չէ, ու հայտնի էլ չէ՝ արդյոք դրանք գոյություն ունեն Տիեզերքում, թե՝ ոչ:
Այդ դեպքում՝ ի՞նչ հետազոտության մասին է խոսքը: PAN-ը փորձել է բացատրել, բայց զգուշացնում ենք՝ տեքստը հասկանալու համար անհրաժեշտ են ֆիզիկայի գոնե բազային գիտելիքներ:
Եթե կարճ՝ ամերիկացի ֆիզիկոսներն անցկացրել են հոլոգրաֆիկ որդնախոռոչով ինֆորմացիայի անցնելու` քվանտային համակարգչով իրականացված պատմության մեջ առաջին սիմուլյացիան։ Հետազոտությունը դարձել է բացառապես քվանտային համակարգերի օգնությամբ քվանտային գրավիտացիայի էֆեկտների լաբորատոր ուսումնասիրության առաջին քայլը։ Nature ամսագրի խմբագրականում հետազոտությանը կարճ անդրադարձել են ֆիզիկոսներ Ադամ Բրաունն ու Լեոնարդ Սասքինդը։
Ֆիզիկոսների մեծագույն երազանքը ներկայումս քվանտային գրավիտացիայի տեսության կամ այսպես կոչված` ամեն ինչի տեսության կառուցումն է։ Չորս ֆունդամենտալ փոխազդեցություններից երեքը` էլեկտրամագնիսական, թույլ և ուժեղ փոխազդեցություններն արդեն իսկ հնարավոր է եղել միավորել ու ստանալ դրանց քվանտային նկարագրությունը, սակայն չորրորդը` գրավիտացիան, այս պատկերում ներառելը ծայրահեղ բարդ է ու չի իրականացվել մինչ օրս։
Ու չնայած քվանտային գրավիտացիայի տեսությունը մինչև հիմա կառուցված չէ, գիտնականներին հայտնի են բազմաթիվ հատկություններ, որոնցով տեսությունը պիտի օժտված լինի։ Շատ տեսաբանների կարծիքով, նոր տեսությունը պարտադիր պետք է ենթարկվի հոլոգրաֆիկ սկզբունքին։ Այսպես է կոչվում որևիցե N-չափ տարածությունում գոյություն ունեցող օբյեկտները այդ տարածության N-1 չափ սահմանին պատկերելու հնարավորությունը։ Հենց այդպես են աշխատում հոլոգրամները. օբյեկտի եռաչափ պատկերը ձևավորվում է երկչափ պատտերնի միջոցով։
Քվանտային գրավիտացիայի դեպքում հոլոգրաֆիկ սկզբունքն առաջարկում է 3+1 չափ (երեք տարածական ու մեկ ժամանակային) տարածություն-ժամանակում սահմանված դաշտի քվանտային տեսությունը համարել 4+1 չափ (չորս տարածական ու մեկ ժամանակային) հակա դե Սիտերյան տարածություն-ժամանակում սահմանված քվանտային գրավիտացիայի հոլոգրամ։ Սա ֆիզիկայում հայտնի է, որպես դուալություն, երբ միևնույն երևույթը հնարավոր է նկարագրել երկու բացարձակ տարբեր տեսությունների միջոցով։ Հաշվի առնելով, որ 4+1-չափ հակա դե Սիտերյան տարածություն-ժամանակում գրավիտացիայի նկարագրությունը չափազանց բարդ է, գիտնականները դիմում են դրա ավելի հաշվելի տարբերակին, մասնավորապես` վերոնշյալ տարածություն-ժամանակի սահմանին գտնվող երկրափ մեմբրանի վրա ապրող դաշտի քվանտային տեսությանը։ Այս կապը ստացել է Ads/QFT համապատասխանություն անվանումը. Ads - Anti De Sitter (հակա դե Սիտեր), QFT - Quantum Field Theory (դաշտի քվանտային տեսություն)։
2015-ին Ալեքսեյ Կիտաևը ֆերմիոնների համակարգում հայտնաբերեց պարզ կոնֆիգուրացիա (ստացել է Սադչեվի-Յեի-Կիտաևի մոդել կամ SYK), որը ակնհայտ հոլոգրաֆիկ դուալություն է ցուցաբերում, այսինքն` դրա դինամիկան այնպիսին է, կարծես այն ավելի բարձր չափումներում տեղի ունեցող քվանտային գրավիտացիոն դինամիկայի ստվերը լինի։ Ավելի ուշ Գաոն ու Ջաֆերիսն առաջարկեցին պրոտոկոլ, որը թույլ կտա երկու SYK-ենթահամակարգերի խճճման եղանակով տեսնել որդնախոռոչով ինֆորմացիայի փոխանցման (տելեպորտացիայի) էֆեկտը։
Իրական քվանտային համակարգում այս էֆեկտն առաջին անգամ կարողացան դիտարկել Կալիֆորնիայի տեխնիկական համալսարանի ֆիզիկոսները` Մարիա Սպիրոպուլույի գլխավորությամբ։ Թիմն աշխատում էր Google-ին պատկանող Sycamore քվանտային համակարգչով։ Գիտնականները կարողացան գտնել այն պայմանները, որոնց դեպքում համակարգիչն ընդամենը 9 կուբիտների միջոցով կարողանում էր սիմուլացնել որդնախոռոչով ինֆորմացիայի անցնելու էֆեկտը։
Ընտրված մոտեցման դեպքում երկու SYK-ենթահամակարգերը դուալ են որդնախոռոչով կապված երկու սև խոռոչների արտաքին հատվածներին։ Գաոյի ու Ջաֆերիսի հաշվարկների համաձայն, որդնախոռոչի անցանելիությանը կարելի է հասնել բացասական էներգիայի (PDF) հարվածային ալիքների միջոցով։ Հոլոգրաֆիկ մոտեցման շրջանակում դա համապատասխանում է երկու ենթահամակարգի միջև μ կապի բացասական կոնստանտով ինչ-որ փոխազդեցության։
Հետազոտության առաջին փուլում հեղինակները սիմուլյացիան անցկացրել են սովորական համակարգիչներով։ Նրանք սահմանել են մայորանովյան ֆերմիոնների երկու անսամբլ, որոնք ազատ էվոլյուցիայի են ենթարկվել մինչև ժամանակի այն պահը, երբ ֆիզիոսները միացրել են նրանց միջև հարվածային ուժի փոխազդեցությունը։ Տելեպորտացիայի հատկանիշն էր ինֆորմացիայի քանակի չափման միավորի վարքագիծը` սահմանված վիճակների էնթրոպիայի միջոցով։ Սիմուլյացիայի սկզբում ինֆորմացիան սքրեմբլավորվել է, ու ինֆորմացիայի չափման միավորի արժեքը նվազել, սակայն ժամանակի որոշակի պահին դրանում գագաթ է առաջացել, որը համապատասխանել է որդնախոռոչի մյուս ծայրին ինֆորմացիայի վերականգնմանը։
Նկարագրված սխեման քվանտային սարքավորման վրա կյանքի կոչելու ճանապարհին ընկած էր SYK-ենթահամակարգերի մաթեմատիկական բարդությունը։ Վերլուծությունը ցույց է տվել, որ պրոտոկոլի իրականացման համար անհրաժեշտ է նվազագույնը տասը ենթահամակարգ, իսկ դրանց միջև կապերը (համիլտիոնյանի անդամները) պետք է լինեն նվազագույնը 210 հատ։ Նման համակարգի կոդավորման համար անհրաժեշտ կուբիտների քանակը չափազանց մեծ էր։
Խնդիրը լուծելու համար թիմը որոշել է իրականացնել համիլտոնյանի նոսրացման պրոցեդուրան, այսինքն` նվազեցնել ենթահամակարգերի ու դրանց միջև կապերի թիվը` պահպանելով որդնախոռոչի գլխավոր հատկանիշը` մյուս ծայրում ինֆորմացիայի վերականգնումը։ Դրա համար նրանք կիրառել են մեքենայական ուսուցման մեթոդը։ Դատասեթը բաղկացած էր ժամանակից ինֆորմացիայի չափի միավորի կախվածությունից` կառուցված իդեալական պայմանների համար։ Նոսրացման յուրաքանչյուր նոր իտերացիան գնահատվում էր կորուստներին ֆունկցիայի միջոցով, որը բնորոշում էր ինֆորմացիայի միավորի հեռավորությունն իդեալականից։ Գրադիենտային անկման մեթոդների օպտիմալացումը թույլ է տվել ենթահամակարգերի թիվը հասցնել յոթի, իսկ համիլտոնյանում անդամների թիվը հինգի` առանց լիարժեք պատկերից զգալի շեղումների։
Վերջապես, ֆիզիկոսները կիրառել են իրենց մշակումներն իրական քվանտային համակարգչով։ Ձեռք բերված պայմանների ռեալիզացման համար բավական է եղել 9 կուբիտ, որոնք գիտականներին տրամադրվել են Sycamore գերհաղորդիչ համակարգչի միջոցով։ Իրացնելով դրանով կառուցված պրոտոկոլը` հեղինակները գրանցել են ինֆորմացիայի գրավիտացիոն տելեպորտացիայի էֆեկտը, սակայն արդյունքը ստացվել է ճշգրտության սահմանին` մի քանի հարյուրի հասնող քվանտային վենտիլների դեպոլյարիզացնող աղմուկների պատճառով։ Լրացուցիչ վերլուծությունը ցույց է տվել, որ եթե սխալների թիվը 1.5 անգամ շատ լիներ, էֆեկտը զրոյականից չէր տարբերվի։
Արդյունքում, գիտնականները համոզվել են, որ իրականացված տելեպորտացիան ունի գրավիտացիոն բնույթ։ Ճիշտ չափային հատկանիշներից ու բացասական էներգիայի կրիտիկական դերից բացի դրա մասին էին վկայում նաև Շապիրոյի էֆեկտի գրանցումն ու երկու ազդանշանների փոխանցման ընթացքում պատճառայնության պահպանումը։ Այս ամենը թույլ է տալիս պնդել, որ հայտնաբերված էֆեկտը կապված է անցանելի որդնախոռոչների դինամիկայի հետ։
Անհրաժեշտ է ևս մեկ անգամ շեշտել, որ իրականացված աշխատանքն իրենից ներկայացնում է հոլոգրաֆիկ սիմուլյացիա։ Դա նշանակում է, որ ֆիզիկոսների ուսումնասիրած գրավիտացիոն էֆեկտները կրում են բացառապես էմերջենտ բնույթ, ու գիտափորձի ընթացքում տարածություն-ժամանակի ոչ մի իրական կորացում տեղի չի ունեցել։ Ավելին, 9 կուբիտները հեշտությամբ սիմուլացվում են դասական համակարգչով, հետևաբար` ֆորմալ առումով նոր հետազոտությունը չի տալիս ինչ-որ նոր բան, ինչ մենք չգիտեինք քվանտային գրավիտացիայի մասին։
Չնայած դրան, Սպիրոպուլույի ու իր գործընկերների աշխատանքը բեկումնային է, այն բացում է լաբորատոր պայմաններում քվանտային գրավիտացիայի ուսումնասիրության դարաշրջանը։ Հաշվի առնելով, թե ինչ արագությամբ է աճում քվանտային համակարգիչների արտադրողականությունը` արդեն նկատելի ապագայում կարելի է ակնկալել իրոք նոր արդյունքներ։