Fisikawan Amati Dinamika Wormhole pakai Komputer Kuantum
"Kami menemukan sistem kuantum yang menunjukkan sifat utama lubang cacing gravitasi namun cukup kecil untuk diterapkan pada perangkat keras kuantum saat ini," kata Maria Spiropulu, peneliti utama program penelitian Kantor Ilmu Pengetahuan Departemen Energi AS Saluran Komunikasi Kuantum untuk Fisika Dasar (QCCFP) dan Profesor Fisika Shang-Yi Ch'en di Caltech. “Pekerjaan ini merupakan langkah menuju program pengujian fisika gravitasi kuantum yang lebih besar menggunakan komputer kuantum. Ini tidak menggantikan penyelidikan langsung gravitasi kuantum dengan cara yang sama seperti eksperimen terencana lainnya yang mungkin menyelidiki efek gravitasi kuantum di masa depan menggunakan penginderaan kuantum , tetapi itu memang menawarkan testbed yang kuat untuk melatih ide-ide gravitasi kuantum."
Penelitian ini akan dipublikasikan 1 Desember di jurnal Nature . Penulis pertama studi ini adalah Daniel Jafferis dari Universitas Harvard dan Alexander Zlokapa (BS '21), mantan mahasiswa sarjana di Caltech yang memulai proyek ini untuk tesis sarjananya dengan Spiropulu dan sejak itu pindah ke sekolah pascasarjana di MIT.
Lubang cacing adalah jembatan antara dua wilayah terpencil di ruangwaktu. Mereka belum diamati secara eksperimental, tetapi para ilmuwan telah berteori tentang keberadaan dan sifat mereka selama hampir 100 tahun. Pada tahun 1935, Albert Einstein dan Nathan Rosen menggambarkan lubang cacing sebagai terowongan melalui struktur ruangwaktu sesuai dengan teori relativitas umum Einstein, yang menggambarkan gravitasi sebagai kelengkungan ruangwaktu. Para peneliti menyebut jembatan Einstein-Rosen lubang cacing setelah dua fisikawan yang memanggilnya, sedangkan istilah "lubang cacing" sendiri diciptakan oleh fisikawan John Wheeler pada 1950-an.
Gagasan bahwa lubang cacing dan fisika kuantum, khususnya keterikatan (fenomena di mana dua partikel dapat tetap terhubung dalam jarak yang sangat jauh), mungkin memiliki hubungan pertama kali diusulkan dalam penelitian teoretis oleh Juan Maldacena dan Leonard Susskind pada tahun 2013. Fisikawan berspekulasi bahwa lubang cacing ( atau "ER") setara dengan keterikatan (juga dikenal sebagai "EPR" setelah Albert Einstein, Boris Podolsky [PhD '28], dan Nathan Rosen, yang pertama kali mengusulkan konsep tersebut). Intinya, karya ini membangun hubungan teoretis jenis baru antara dunia gravitasi dan fisika kuantum. "Itu adalah ide yang sangat berani dan puitis," kata Spiropulu dari karya ER = EPR.
Kemudian, pada tahun 2017, Jafferis, bersama rekannya Ping Gao dan Aron Wall, memperluas ide ER = EPR tidak hanya ke wormhole tetapi juga wormhole yang dapat dilalui. Para ilmuwan mengarang skenario di mana energi tolak negatif menahan lubang cacing terbuka cukup lama untuk dilewati sesuatu dari satu ujung ke ujung lainnya. Para peneliti menunjukkan bahwa deskripsi gravitasi lubang cacing yang dapat dilalui ini setara dengan proses yang dikenal sebagai teleportasi kuantum. Dalam teleportasi kuantum, sebuah protokol yang telah didemonstrasikan secara eksperimental dalam jarak jauh melalui serat optik dan melalui udara, informasi diangkut melintasi ruang menggunakan prinsip keterikatan kuantum.
Karya ini mengeksplorasi kesetaraan lubang cacing dengan teleportasi kuantum. Tim yang dipimpin Caltech melakukan eksperimen pertama yang menyelidiki gagasan bahwa informasi yang berjalan dari satu titik di ruang angkasa ke titik lain dapat dijelaskan dalam bahasa gravitasi (lubang cacing) atau bahasa fisika kuantum (keterikatan kuantum).
Sebuah temuan kunci yang mengilhami kemungkinan eksperimen terjadi pada tahun 2015, ketika Alexei Kitaev dari Caltech, Profesor Fisika Teoretis dan Matematika Ronald dan Maxine Linde, menunjukkan bahwa sistem kuantum sederhana dapat menunjukkan dualitas yang sama yang kemudian dijelaskan oleh Gao, Jafferis, dan Wall, seperti bahwa dinamika kuantum model setara dengan efek gravitasi kuantum. Model Sachdev-Ye-Kitaev, atau SYK ini (dinamai menurut Kitaev, dan Subir Sachdev dan Jinwu Ye, dua peneliti lain yang mengerjakan pengembangannya sebelumnya) mengarahkan para peneliti untuk menyarankan bahwa beberapa ide lubang cacing teoretis dapat dipelajari lebih dalam dengan melakukan eksperimen pada prosesor kuantum.
Melanjutkan ide-ide ini, pada tahun 2019, Jafferis dan Gao menunjukkan bahwa dengan melibatkan dua model SYK, para peneliti harus dapat melakukan teleportasi lubang cacing dan dengan demikian menghasilkan dan mengukur sifat dinamis yang diharapkan dari lubang cacing yang dapat dilalui.
Dalam studi baru, tim fisikawan melakukan eksperimen jenis ini untuk pertama kalinya. Mereka menggunakan model mirip SYK "bayi" yang disiapkan untuk mempertahankan sifat gravitasi, dan mereka mengamati dinamika lubang cacing pada perangkat kuantum di Google, yaitu prosesor kuantum Sycamore. Untuk mencapai hal ini, tim pertama-tama harus mereduksi model SYK menjadi bentuk yang disederhanakan, suatu prestasi yang mereka capai dengan menggunakan alat pembelajaran mesin pada komputer konvensional.
“Kami menggunakan teknik pembelajaran untuk menemukan dan menyiapkan sistem kuantum mirip SYK sederhana yang dapat dikodekan dalam arsitektur kuantum saat ini dan yang akan mempertahankan properti gravitasi,” kata Spiropulu. "Dengan kata lain, kami menyederhanakan deskripsi mikroskopis dari sistem kuantum SYK dan mempelajari model efektif yang dihasilkan yang kami temukan pada prosesor kuantum. Sangat mengherankan dan mengherankan bagaimana pengoptimalan pada satu karakteristik model mempertahankan metrik lainnya! Kami memiliki merencanakan lebih banyak pengujian untuk mendapatkan wawasan yang lebih baik tentang model itu sendiri."
Dalam eksperimen tersebut, para peneliti memasukkan qubit -- yang setara dengan bit dalam komputer berbasis silikon konvensional -- ke dalam salah satu sistem mereka yang mirip SYK dan mengamati informasi yang muncul dari sistem lain. Informasi berpindah dari satu sistem kuantum ke sistem kuantum lainnya melalui teleportasi kuantum -- atau, berbicara dalam bahasa komplementer gravitasi, informasi kuantum melewati lubang cacing yang dapat dilalui.
"Kami melakukan semacam teleportasi kuantum yang setara dengan lubang cacing yang dapat dilalui dalam gambar gravitasi. Untuk melakukan ini, kami harus menyederhanakan sistem kuantum ke contoh terkecil yang mempertahankan karakteristik gravitasi sehingga kami dapat menerapkannya pada prosesor kuantum Sycamore di Google, "kata Zlokapa.
Rekan penulis Samantha Davis, seorang mahasiswa pascasarjana di Caltech, menambahkan, "Butuh waktu sangat lama untuk sampai pada hasilnya, dan kami sendiri terkejut dengan hasilnya."
“Nilai jangka pendek dari jenis eksperimen ini adalah bahwa perspektif gravitasi menyediakan cara sederhana untuk memahami fenomena kuantum banyak partikel yang misterius,” kata John Preskill, Profesor Fisika Teoretis Richard P. Feynman di Caltech dan direktur Institut Informasi dan Materi Kuantum (IQIM). "Apa yang menurut saya menarik dari eksperimen Google baru ini adalah, melalui pembelajaran mesin, mereka mampu membuat sistem cukup sederhana untuk disimulasikan pada mesin kuantum yang ada sambil mempertahankan karikatur yang masuk akal dari apa yang diprediksi oleh gambar gravitasi."
Dalam studi tersebut, fisikawan melaporkan perilaku lubang cacing yang diharapkan baik dari perspektif gravitasi maupun dari fisika kuantum. Misalnya, sementara informasi kuantum dapat ditransmisikan melintasi perangkat, atau diteleportasi, dalam berbagai cara, proses eksperimen terbukti setara, setidaknya dalam beberapa cara, dengan apa yang mungkin terjadi jika informasi berjalan melalui lubang cacing. Untuk melakukan ini, tim berusaha untuk "membuka lubang cacing" menggunakan pulsa energi negatif yang menjijikkan atau sebaliknya, energi positif. Mereka mengamati tanda kunci dari lubang cacing yang dapat dilalui hanya ketika energi negatif yang setara diterapkan, yang konsisten dengan bagaimana perilaku lubang cacing diharapkan.
"Fidelitas tinggi dari prosesor kuantum yang kami gunakan sangat penting," kata Spiropulu. "Jika tingkat kesalahan lebih tinggi 50 persen, sinyalnya akan sepenuhnya dikaburkan. Jika setengahnya, kita akan memiliki sinyal 10 kali lipat!"?
Di masa depan, para peneliti berharap dapat memperluas pekerjaan ini ke sirkuit kuantum yang lebih kompleks. Meskipun komputer kuantum yang bonafide mungkin masih bertahun-tahun lagi, tim berencana untuk terus melakukan eksperimen semacam ini pada platform komputasi kuantum yang ada.
"Hubungan antara keterikatan kuantum, ruangwaktu, dan gravitasi kuantum adalah salah satu pertanyaan paling penting dalam fisika fundamental dan area aktif penelitian teoretis," kata Spiropulu. "Kami sangat bersemangat untuk mengambil langkah kecil untuk menguji ide-ide ini pada perangkat keras kuantum dan akan terus berlanjut."
Studi berjudul "Traversable wormhole dynamics on a quantum processor" didanai oleh Kantor Sains Departemen Energi AS melalui program penelitian QCCFP. Penulis lain termasuk: Joseph Lykken dari Fermilab; David Kolchmeyer, sebelumnya di Harvard dan sekarang postdoc di MIT; Nikolai Lauk, sebelumnya postdoc di Caltech; dan Hartmut Neven dari Google.
Informasi lebih lanjut dapat ditemukan di situs web Alliance for Quantum Technologies: https://inqnet.caltech.edu/wormhole2022/
Sumber Jurnal: Daniel Jafferis, Alexander Zlokapa, Joseph D. Lykken, David K. Kolchmeyer, Samantha I. Davis, Nikolai Lauk, Hartmut Neven, Maria Spiropulu. Traversable wormhole dynamics on a quantum processor. Nature, 2022; 612 (7938): 51 DOI: 10.1038/s41586-022-05424-3
