Квантовая запутанность и червоточины умеют быть плотно сплетены

    Когда Альберт Эйнштейн поражался «жуткой» дальнодействующей взаимосвязи меж частичками, он и не задумывался об собственной общей теории относительности. Вековая теория Эйнштейна определяет, как только появляется гравитация, когда громоздкие объекты деформируют ткань места и времени. Квантовая запутанность, тамошний стршный родник эйнштейновского испуга, обычно, затрагивает крохотные крупицы, кои немного воздействуют на гравитацию. Пылинка деформирует матрас ровно эдак же, как только субатомная частичка искривляет место.

    Квантовая запутанность и червоточины умеют быть тесновато связаны

    Все же физик-теоретик Марк Ван Раамсдонк подозревает, что запутанность и пространство-время на деле сопряжены меж собой. В 2009 году он высчитал, что место без запутанности и не сумело бы удержать себя. Он написал работу, из которой вытекало, что квантовая запутанность является иглой, которая сшивает воедино гобелен галлактического пространства-времени.

    Почти все журнальчики отказались публиковать его работу. Однако спустя годы изначального скепсиса исследование идеи тамошнего, что запутанность сформировывает пространство-время, предстало одной из самых жарких тенденций в области физики. «Выходя из глубочайших основ физики, все показывает на то, что пространство обязано быть сопряжено с запутанностью», — говорит Джон Прескилл, физик-теоретик из Калтеха.

    В 2012 году возникла очередная провокационная работа, представляющая феномен запутанных частиц снутри и извне темной прорехи. Наименее чем сквозь год два профессионала в данной области предложили радикальное решение: запутанные крупицы сливаются червоточинами — туннелями пространства-времени, представленными гораздо Эйнштейном, кои в текущее время идиентично частенько рождаются на страничках журналов по физике и в научной фантастике. Ежели это же допущение правильно, запутанность и не является стршным дальнодействующим соединением, об котором задумывался Эйнштейн — а полностью действительным мостом, связующим удаленные точки в пространстве.

    Квантовая запутанность и червоточины умеют быть тесновато связаны

    Почти все ученые находят эти идеи достойными внимания. В крайние годы физики, казалось бы, несвязанных специальностей сошлись на этом поле запутанности, места и червоточин. Ученые, кои когда-то были сосредоточены на разработке безошибочных квантовых компов, сейчас размышляют, и не является ли сама Вселенная квантовым персональным компьютером, который тихо программирует пространство-время в сложноватой паутине запутанностей. «Все прогрессирует неописуемым образом», — разговаривает Ван Раамсдонк из Вуза Английской Колумбии в Ванкувере.

    Физики ложут заглавные надежды на то, куда них заведет это же соединение пространства-времени с запутанностью. ОТО хромировано определяет, как только ишачит пространство-время; новейшие научные исследования умеют приоткрыть заавесь над тем самым, откуда берется пространство-время и на что оно похоже на мелких масштабах, лежащих во власти квантовой механики. Запутанность возможно конфиденциальным ингредиентом, который соединит воединыжды эти пока несопоставимые области в теорию квантовой гравитации, позволив ученым осознать условия снутри темной прорехи и состояние Вселенной в первые моменты опосля Немалого Взрыва.

    Голограммы и банки с супом

    Прозрение Ван Раамсдонка в 2009 году и не материализовалось из воздуха. Оно уходит корнями в голографический принцип, идею тамошнего, что граница, ограничивающая размер места, может содержать всю информацию, в нем заключенную. Ежели применить голографический принцип к ежедневной жизни, то любознательный коллега может безупречно реконструировать все, что присутствует в кабинете, — кипы бумаг, семейные фото, игрушки в углу и даже файлы на твердом диске компа — ординарно смотря на наружные стенки квадратного кабинета. Эта мысль противоречива, беря во внимание то, что стенки имеют два измерения, а уж интерьер кабинета три. Однако в 1997 году Хуан Малдасена, струнный теоретик тогда-то из Гарварда, привел интригующий пример тамошнего, что голографический принцип мог бы распахнуть об Вселенной.

    Он начал с анти-де-ситтеровского места, которое припоминает пространство-время, в каком преобладает гравитации, однако владеет рядом странноватых атрибутов. Оно изогнуто таким макаром, что вспышка света, излученного в конкретном месте, в конечном счете возвратится оттуда, где возникла. И хотя Вселенная расширяется, анти-де-ситтеровское место и не вытягивается не сжимается. По причине этаких индивидуальностей фрагмент анти-де-ситтеровского места с четырьмя измерениями (тремя пространственными и одним временным) возможно окружен трехмерной границей.

    Малдасена обращался к цилиндру анти-де-ситтеровского пространства-времени. Каждый горизонтальный срез цилиндра воображает состояние его места на этот момент, тогда-то как только отвесное измерение цилиндра воображает время. Малдасена окружил собственный цилиндр границей для голограммы; если б анти-де-ситтеровское место существовало банкой супа, то граница существовала бы этикеткой.

    На первый взор кажется, что эта граница (этикетка) и не имеет ничего общего с заполнением цилиндра. Пограничная «этикетка», например, соблюдает руководила квантовой механики, а уж и не гравитации. И тем не менее гравитация определяет место снутри содержимого «супа». Малдасена проявил, что этикетка и суп были одним и этим же; квантовые взаимодействия на границе хорошо описывают  анти-де-ситтеровское место, которое закрывает эта граница. «Две этих теории кажутся совсем различными, однако определенно обрисовывают одно и то же», — говорит Прескилл.

    Квантовая запутанность и червоточины умеют быть тесновато связаны

    Малдасена добавил запутанность в голографическое уравнение в 2001 году. Он вообразил место в двух банках с супом, любая из которых содержит темную прореху. Потом сделал эквивалент самодельного смартфона из стаканчиков, соединяющего темные прорехи при помощи червоточины — туннеля сквозь пространство-время, в первый раз предложенного Эйнштейном и Натаном Розеном в 1935 году. Малдасена находил метод сделать эквивалент этакий взаимосвязи пространства-времени на этикетках банок. Лукавость, как только он осознал, существовала в запутанности.

    Как только и червоточина, квантовая запутанность связывает объекты, кои и не имеют тривиальных взаимоотношений. Квантовый мир — расплывчатое пространство: электрон может крутиться в обе стороны сразу, будучи в состоянии суперпозиции, пока что измерения и не предоставят четкий ответ. Однако ежели два электрона запутаны, измерение спина единого дозволяет экспериментатору познать спин иного электрона — даже ежели партнерский электрон присутствует в состоянии суперпозиции. Эта квантовая взаимосвязь останется даже ежели электроны будут делить погонные метры, километры либо световые годы.

    Малдасена проявил, что при помощи запутывания частиц на одной этикетке с частичками на альтернативный можно безупречно квантово-механически обрисовать соединение червоточиной банок. В контексте голографического принципа, запутанность эквивалентна физическому связыванию кусков пространства-времени совместно.

    Воодушевленный данной взаимосвязью запутанности с пространством-временем, Ван Раамсдонк задался вопросцем, как огромную участие запутанность может играться в формировании пространства-времени. Он вообразил самую чистую этикетку на банке с квантовым супом: белоснежную, характерную пустому диску анти-де-ситтеровского места. Однако он знал, что, согласно основам квантовой механики, пустое место ни разу и не будет целиком пустым. Оно наполнено парами частиц, кои всплывают и исчезают. И сиим мимолетные крупицы запутаны.

    Потому Ван Раамсдонк нарисовал воображаемую биссектрису на голографической этикетке и потом математически порвал квантовую запутанность меж частичками на одной половине этикетке и частичками на альтернативный. Он нашел, что надлежащий диск анти-де-ситтеровского места начал разделяться напополам. Как будто запутанные крупицы были крючками, кои задерживают полотно места и времени на месте; без их пространство-времени разлетается на части. По мере тамошнего, как только Ван Раамсдонк понижал степень запутанности, часть присоединенного к разбитым регионам места становилась тоньше, подобно резиновой нитки, тянущейся от жвачки. «Это навело меня на идея, что присутствие места начинается с присутствия запутанности».

    Это же существовало неустрашимое заявление, и потребовалось время, дабы работа Ван Раамсдонка, размещенная в General Relativity and Gravitation в 2010 году, завлекла нешуточное внимание. Огнь энтузиазма всполыхнул уже в 2012 году, когда четыре физиков из Калифорнийского вуза в Санта-Барбаре написали работу, бросающую вызов принятым убеждениям об горизонте обстоятельств, точки невозвращения темной прорехи.

    Правда, укромная файрволом

    Квантовая запутанность и червоточины умеют быть тесновато связаны

    В 1970-х годах физик-теоретик Стивен Хокинг проявил, что нескольких запутанных частиц — тамошних же сортов, кои Ван Раамсдонк потом анализировал в собственной квантовой границе — умеют разлагаться на горизонте обстоятельств. Одна ниспадает в темную прореху, а уж иная удирает наряду с эдак именуемым излучением Хокинга. Этот процесс мал-помалу подтачивает толпу темной прорехи, в итоге приводя к ее смерти. Однако ежели темные прорехи исчезают, наряду с ней обязана исчезать и запись всего, что ниспадало вовнутрь. Квантовая теория же утверждает, что информация и не возможно уничтожена.

    К 90-м годам несколько физиков-теоретиков, включая Леонарда Сасскинда из Стэнфорда, предложили решение данной трудности. Да, сообщили они, материя и энергия ниспадает в темную прореху. Однако исходя из убеждений наружного наблюдающего, этот материал ни разу и не преодолевает горизонт обстоятельств; он как будто балансирует на его грани. В итоге горизонт обстоятельств становится голографической границей, содержащей всю информацию об пространстве снутри темной прорехи. Наконец, когда темная прореха испаряется, эта информация утекает в образе излучения Хокинга. В принципе, наблюдающий может собрать это же излучение и нормализовать всю информацию об недрах темной прорехи.

    В собственной работе 2012 года физики Ахмед Альмхейри, Дональд Марольф, Джеймс Салли и Джозеф Полчинский заявили, что в данной картине что-то и не эдак. Для наблюдающего, пытающегося собрать головоломку тамошнего, что присутствует снутри темной прорехи, пометили одни, все отдельные части головоломки — частицы излучения Хокинга — должны быть запутаны меж собой. А также любая хокингова частичка обязана быть запутана со собственным необычным партнером, который свалился в темную прореху.

    К огорчению, одной запутанности недостаточно. Квантовая теория утверждает, что для тамошнего, дабы запутанность присутствовала меж всеми частичками извне темной прорехи, обязана быть исключена запутанность этих частиц с частичками снутри темной прорехи. За исключением тамошнего, физики нашли, что разрыв одной из запутанностей породил бы непроницаемую энергетическую стенку, эдак именуемый файрвол, на горизонте обстоятельств.

    Почти все физики усомнились в фолиант, что темные прорехи на деле испаряют все, что пробует просочиться вовнутрь. Однако сама вероятность существования файрвола наводит на тревожные мысли. Раньше физики уже думали об фолиант, как только смотрится место снутри темной прорехи. Сейчас они и не убеждены в фолиант, существуют ли у темных дыр это же «внутри» вообще. Все как будто смирились, помечает Прескилл.

    Однако Сасскинд и не смирился. Он издержал годы, пытаясь обосновать, что информация и не исчезает снутри темной прорехи; сейчас он эдак же убежден, что мысль файрвола неверна, однако обосновать сего пока что и не сумел. В один прекрасный момент он получил таинственное письмецо от Малдасены: «В нем существовало малость, — разговаривает Сасскинд. — Лишь ЭР = ЭПР». Малдасена, действующий ныне в Колледже продвинутых исследовательских работ в Принстоне, призадумался об собственной работе с банками супа 2001 года и заинтересовался, умеют ли червоточины разрешить мешанину запутанности, порожденную неувязкой файрвола. Сасскинд резво схватил эту идею.

    В статье, размещенной в германском журнальчике Fortschritte der Physik в 2013 году, Малдасена и Сасскинд заявили, что червоточина — на техническом уровне мост Эйнштейна-Розена, либо ЭР — является пространственно-временным эквивалентом квантовой запутанности. (Под ЭПР соображают опыт Эйнштейна-Подольского-Розена, который был должен развеять мифологическую квантовую запутанность). Это же значит, что любая частичка излучения Хокинга, независимо от тамошнего, как только далековато она присутствует от начала, впрямую сопряжена с недрами темной прорехи средством коротенького пути сквозь пространство-время. «Если двигать сквозь червоточину, дальние вещи оказываются и не таковыми уж и далекими», — разговаривает Сасскинд.

    Сасскинд и Малдасена предложили собрать все крупицы Хокинга и столкнуть них совместно, пока что они и не коллапсируют в темную прореху. Эта темная прореха существовала бы запутана, а уж означает соединена червоточиной с уникальной темной прорехой. Этот трюк преобразовал запутанную мешанину хокинговых частиц — парадоксально запутанных с темной прорехой и меж собой — в две темные прорехи, соединенные червоточиной. Нагрузка запутанности разрешилась, и неполадка файрвола существовала исчерпана.

    И не все ученые прыгнули на подножку трамвая ЭР = ЭПР. Сасскинд и Малдасена признают, что им же предстоит сделать гораздо не мало работы, дабы обосновать эквивалентность червоточин и запутанности. Однако опосля обдумывания последствий феномена файрвола, почти все физики соглашаются, что пространство-время снутри темной прорехи должно собственным существованием запутанности с излучением извне. Это же значимое прозрение, помечает Прескилл, так как оно а также значит, что вся ткань пространства-времени Вселенной, включая тамошний клочок, который занимаем мы, является товаром квантового стршного деяния.

    Галлактический персональный компьютер

    Квантовая запутанность и червоточины умеют быть тесновато связаны

    Одно дело сообщить, что вселенная конструирует пространство-время средством запутанности; вконец альтернативное — отобразить, как только вселенная это же выполняет. Данной сложноватой задачей занялись Прескилл и коллеги, кои решили разглядеть космос как только колоссальный квантовый персональный компьютер. Практически двадцать лет ученые ишачили над возведением квантовых компов, кои задействуют информацию, зашифрованную в запутанных элементах, вроде фотонов либо крохотных микросхем, дабы предпринимать трудности, с которыми классические компы совладать и не умеют. Команда Прескилла употребляет познание, приобретенное в итоге этих попыток, дабы предсказать, как только отдельные детали снутри банки с супом могли бы отразиться на наполненной запутанностью этикетке.

    Квантовые компы ишачят, эксплуатируя ингридиенты, кои присутствуют в суперпозиции состояний, как только носители заданных — они умеют быть нулями и единицами сразу. Однако состояние суперпозиции максимально хрупкое. Излишек тепла, к примеру, может повредить состояние и всю заключенную в нем квантовую информацию. Эти утраты инфы, кои Прескилл ассоциирует с изорванными страничками в книжке, кажутся неминуемыми.

    Однако физики ответили на это же, создав протокол квантовой корректировки ошибок. Заместо тамошнего дабы полагаться на одну частичку для хранения квантового бита, ученые делят заданные меж несколькими запутанными частичками. Книжка, напечатанная на языке квантовой корректировки ошибок, будет полна абсурда, разговаривает Прескилл, однако все ее содержимое можно будет нормализовать, даже ежели половина страничек исчезнет без яизвестия.

    Квантовая корректировка ошибок завлекла не мало внимания в крайние годы, однако сейчас Прескилл и его коллеги подозревают, что природа выдумала эту систему уже издавна. В июне, в журнальчике Journal of High Energy Physics, Прескилл и его команда продемонстрировали, как только запутывание огромного количества частиц на голографической границе безупречно определяет одну частичку, притягиваемую гравитацией снутри кусочка анти-де-ситтеровского места. Малдасена разговаривает, что эта находка может привести к топовому осознанию тамошнего, как только голограмма кодирует все детали пространства-времени, которое окружает.

    Физики признают, что них раздумия обязаны пройти длительный путь, дабы соответствовать действительности. В то время как только анти-де-ситтеровское место дает физикам привилегию работы с ладно конкретной границей, у Вселенной нет этакий точной этикетки на банке с супом. Ткань пространства-времени космоса расширяется с момента Немалого Взрыва и продолжает выполнять это же в усиливающемся ритме. Ежели вы отправите луч света в космос, он и не развернется не возвратится; он будет лететь. «Непонятно, как только обусловить голографическую теорию нашей Вселенной, — писал Малдасена в 2005 году. — Просто нет комфортного пространства для размещения голограммы».

    Все же, как бы удивительно ни звучали все эти голограммы, банки с супом и червоточины, они умеют предстать многообещающими дорожками, кои приведут к слиянию квантовых стршных воздействий с геометрией пространства-времени. В собственной работе над червоточинами Эйнштейн и Розен обсудили вероятные квантовые последствия, однако и не провели стыки со собственными ранешними работами по запутанности. Сейчас эта взаимосвязь может посодействовать сплотить квантовую механику ОТО в теорию квантовой гравитации. Вооружившись этакий теорией, физики могли бы разобрать загадки состояния юной Вселенной, когда материя и энергия умещались в нескончаемо минимальной точке места.