Uma publicação recente da Nature continua gerando manchetes sobre suas descobertas de que cientistas do Instituto de Tecnologia da Califórnia desenvolveram um modelo de buraco de minhoca atravessável no sistema de processamento quântico Google Sycamore.
Penn Today conversou com os físicos Vijay Balasubramanian e Jonathan Heckman, do Departamento de Física e Astronomia da Escola de Artes e Ciências, para entender melhor as implicações deste trabalho. Os dois explicaram alguns conceitos-chave e compartilharam seus pensamentos e opiniões sobre algumas das principais conclusões.
Você pode explicar o que esses pesquisadores fizeram?
Balasubramanian: Esses pesquisadores do Caltech foram capazes de representar condições semelhantes a buracos de minhoca em um computador quântico.
Eles usaram um computador quântico para construir uma versão simples de um modelo frequentemente usado para entender materiais fortemente correlacionados, ou seja, materiais nos quais os componentes básicos influenciam fortemente o comportamento um do outro. Este é o chamado modelo SYK, em homenagem aos físicos da matéria condensada que inicialmente o propuseram, Subir Sachdev e Jinwu Ye, junto com Alexei Kitaev, que posteriormente o modificou.
Famosamente, este modelo SYK tem uma descrição equivalente em termos de uma certa teoria da gravidade em um universo com apenas uma dimensão espacial. No artigo da Nature, os pesquisadores construíram um sistema quântico que realizou uma versão simplificada do modelo SYK e demonstrou dinâmicas características que seriam associadas a um buraco de minhoca atravessável na descrição gravitacional alternativa e equivalente.
Então eles não fizeram um buraco de minhoca de verdade?
Balasubramanian: Não, eles não criaram um buraco de minhoca ou um atalho entre dois pontos distantes no espaço. Mas o que eles conseguiram alcançar aqui ainda é muito impressionante e um bom passo para a computação quântica.
O que você quer dizer com computação quântica e por que ela foi necessária para este experimento?
Heckman: Bem, ao contrário de um sistema de computador comum que usa bits binários correspondentes a 0s e 1s para receber, processar, armazenar e comunicar informações, um sistema quântico tem uma “superposição” de 0s e 1s, ou seja, seus bits, conhecidos como qubits, são capazes de existir simultaneamente como zero ou um.
Portanto, a esperança e a promessa de um computador quântico é que você possa fazer cálculos que não seria capaz de fazer em uma máquina clássica, se tiver qubits suficientes.
E, pelo que entendi, parece que esses pesquisadores foram motivados pelo que é conhecido como correspondência anti-de Sitter/teoria de campo conforme (AdS/CFT), que, assim como o modelo SYK, é útil para estudar fenômenos em sistemas cujos componentes interagem fortemente uns com os outros. Mas a correspondência AdS/CFT é particularmente útil para estudar equivalências entre dois tipos diferentes de teorias físicas.
Balasubramanian: A correspondência AdS/CFT pode ser comparada a expressar uma ideia em um idioma e, em seguida, usar um dicionário e um livro de gramática para transmitir a mesma ideia em um conjunto completamente diferente de sons e práticas gramaticais associados a outro idioma.
Com um pouco mais de detalhes, a correspondência AdS/CFT fornece um dicionário e um conjunto de regras físicas para traduzir fenômenos em certos tipos de universos gravitacionais de dimensão superior (os chamados Espaços Anti-de Sitter) para fenômenos em outros sistemas de dimensão inferior ( as chamadas Teorias de Campo Conforme) que não experimentam a gravidade. Na verdade, essa correspondência tem raízes em uma noção bem estabelecida na física que remonta ao final do século 19, à qual nos referimos como dualidade, mas a nova encarnação da dualidade é uma das descobertas mais importantes da física no último trimestre. século.
Parece inicialmente incrível, talvez impossível, que teorias em diferentes números de dimensões possam ser equivalentes. Afinal, você pensaria que a dimensão é fundamental para a natureza da física; normalmente você sente que as dimensões do espaço são como um palco, que você pode ir para trás, para frente, esquerda, direita, para cima ou para baixo. Mas descobrimos que podemos construir exemplos onde, por exemplo, você tem alguma interação acontecendo em uma teoria tridimensional que não contém gravidade e você pode mostrar que é equivalente a algum outro processo em uma teoria quadridimensional com gravidade.
Heckman: E com base nisso, os pesquisadores do Caltech esperavam que pudessem usar o processador quântico para teletransportar, ou traduzir, pedaços de informação quântica de uma região para outra sem perder a fidelidade do sinal. Pela dualidade AdS/CFT, na descrição gravitacional equivalente com uma dimensão extra, você diria que o sinal passou por um buraco de minhoca. Mas na máquina real que eles usaram não há um.
Na verdade, há uma versão deste artigo da Nature que você poderia ter escrito que não faz absolutamente nenhuma referência à gravidade quântica ou ao modelo AdS/CFT.
Como assim? Isso não negaria o objetivo de estudar ambientes semelhantes a buracos de minhoca para analisar informações?
Heckman: Basicamente, a ideia aqui é que a gravidade codifica as informações por meio de uma espécie de holograma. Em um holograma real, você pode ter um sistema bidimensional (como uma imagem gravada em uma superfície) que pode ser usado para codificar totalmente a forma tridimensional original. Da mesma forma, na dualidade AdS/CFT, a informação de um sistema gravitacional de dimensão superior é codificada em um sistema de dimensão inferior.
Mas em termos do que eles fizeram, fica complicado aqui porque eles motivaram o experimento com base no uso de algumas considerações especiais de gravidade: particularmente, essa ideia de uma configuração de gravidade de buraco de minhoca. E para obter um buraco de minhoca, você teria que criar uma ponte entre dois buracos negros. Os buracos negros em questão não existem em nosso mundo. Em vez disso, eles estão presentes em uma descrição alternativa, “dual”, de seu sistema de computação quântica em termos de uma teoria da gravidade em um número diferente de dimensões.
Então, de certa forma, eles usaram essa noção “dual” de gravidade para imaginar uma ponte atravessável, ou buraco de minhoca, conectando dois sistemas mecânicos quânticos diferentes, e traduziram isso de volta em fenômenos equivalentes no sistema real que construíram em seu computador quântico.
Grande parte da cobertura da mídia deste artigo da Nature sugere que os pesquisadores criaram um buraco de minhoca. O que você acha dessas afirmações?
Heckman: Insinuar que há uma travessia real de um buraco de minhoca acontecendo em nosso mundo é bastante enganoso. Os autores do artigo e a imprensa que o cobre estão envolvidos em representações muito irresponsáveis do trabalho.
Esse modelo particular de gravidade funciona melhor quando o número de qubits é muito grande, como se aproximasse do infinito, o que não é possível no momento, então os pesquisadores abordam isso usando uma rede de deep learning para ajudá-los a construir um quantum pequeno o suficiente sistema que retém propriedades gravitacionais suficientes para funcionar em um sistema de nove qubits e ainda se mantém verdadeiro. Então, precisamos perguntar: você aprenderá alguma coisa sobre gravidade quântica com o sistema Sycamore neste caso?
Quero dizer, a priori, você poderia ter feito todo o experimento sem dizer nada sobre a correspondência AdS/CFT e vincular de volta aos buracos de minhoca. Na verdade, todo o experimento poderia ter sido feito em uma máquina clássica; só levaria muito mais tempo.
Balasubramanian: E em termos de haver um buraco de minhoca feito em laboratório, é mais como uma versão da Pixar de um buraco de minhoca, exceto que não é o que é visto na tela. É mais como o código bruto sendo executado em segundo plano; não foi convertido em uma imagem decifrável, mas, em teoria, poderia ser. A imagem pode parecer um buraco de minhoca atravessável, mas não é real.
Mais uma vez, eles não construíram um buraco de minhoca em nosso mundo. Dizer que eles fizeram isso requer alguma ginástica mental. Você basicamente deve considerar a descrição “dual” gravitacional de seu sistema como o mundo real.
Independentemente disso, eles ainda produziram um fenômeno quântico fascinante em um sistema muito difícil de simular em um computador. Este é um passo à frente na simulação de sistemas interativos complexos em computadores quânticos, e isso é interessante porque uma das aplicações mais úteis para a computação quântica é a simulação de interações físicas como o dobramento de proteínas em células vivas. Isso é incrivelmente difícil de fazer em uma máquina comum, então há um ímpeto para melhorar essa tecnologia além de obter insights sobre modelos físicos teóricos.
Publicado em 29/12/2022 13h01
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