Hur ett bordsexperiment skulle kunna testa verklighetens berggrund

Diagram på toppen av molnbilden Källfoto: Unsplash

Här är ett nyfiket tankeexperiment. Föreställ dig ett moln av kvantpartiklar som är intrasslade – med andra ord, de delar samma kvantexistens. Dessa partiklars beteende är kaotiskt. Målet med detta experiment är att skicka ett kvantbudskap över denna uppsättning partiklar. Så meddelandet måste skickas till ena sidan av molnet och sedan extraheras från den andra.

Det första steget är alltså att dela upp molnet på mitten så att partiklarna till vänster kan kontrolleras separat från de till höger. Nästa steg är att injicera meddelandet i den vänstra delen av molnet, där det kaotiska beteendet hos partiklarna snabbt förvränger det.

Kan ett sådant meddelande någonsin avkodas?

I en ny artikel diskuterar Adam Brown på Google i Kalifornien och ett antal kollegor, inklusive Leonard Susskind vid Stanford University, strängteorins fader, exakt hur ett sådant meddelande kan fås att återuppstå överraskande.

Överraskningen är vad som händer härnäst, säger de. Efter en period då meddelandet verkar ordentligt förvrängt, avkodas det plötsligt och återhämtar sig vid en punkt långt borta från där det ursprungligen infogades. Signalen har oväntat fokuserat om, utan att det alls är uppenbart vad det var som fungerade som lins, menar de.

Men det riktigt extraordinära de påpekar är att ett sådant experiment kastar ljus över ett av universums djupaste mysterier: gravitationens och rymdtidens kvantnatur.

Först lite bakgrundsförklaring. Nyckeln till att förstå detta tankeexperiment ligger i karaktären av framväxande fenomen. Brown och co säger att kvantsystem kan visa framväxande fenomen på precis samma sätt som vanliga system gör.

Till exempel när två personer pratar med varandra är fenomenet svårt att förstå ur synvinkeln att modellera varje enskild molekyl i luften. Rummet där de pratar kan innehålla en miljard miljarder miljarder molekyler, var och en kolliderar med en annan var tionde av en nanosekund.

Samtalet fortsätter ändå. Kommunikation är möjlig trots kaoset eftersom systemet ändå besitter framväxande kollektiva lägen – ljudvågor – som beter sig på ett ordnat sätt, skriver Brown och hans kollegor.

Ett liknande fenomen verkar på kvantnivå. Och det är detta framväxande fenomen, hävdar Brown och hans kollegor, som omfokuserar kvantbudskapet i det tidigare exemplet.

När kvanteffekter är viktiga kan komplexa mönster av intrassling ge upphov till kvalitativt nya typer av framväxande kollektiva fenomen, skriver de. Ett extremt exempel på denna typ av uppkomst är just den holografiska genereringen av rumtid och gravitation från förveckling, komplexitet och kaos.

Det är därför detta tankeexperiment är föremål för så mycket intresse. Det låter fysiker tänka på ett enkelt exempel på ett framväxande kvantfenomen och hur de kan skapa och testa ett i labbet.

Så hur kan de gå tillväga för ett sådant experiment? Brown och co säger att det finns flera sätt att närma sig det. Det första steget är att skapa en uppsättning intrasslade kvanttillstånd som sedan kan separeras i två uppsättningar för att hanteras separat.

Ett sätt att göra detta är att skapa en samling intrasslade par som kallas Bell-par. Brown och co noterar att dessa par redan har skapats med hjälp av rubidiumatomer och med fångade joner.

Nästa steg är att infoga kvantinformation i ena hälften av dessa kvanttillstånd. Det sista steget är att kontrollera kvantutvecklingen av den andra halvan av kvanttillstånden på ett sätt som gör att meddelandet kan dyka upp igen.

Detta är inte enkelt .

Emellertid har experiment redan utförts som åstadkommer sådan kvantförvrängning, där information sprids genom ett kvantsystem och sedan återvinns. Särskilt publicerade en grupp vid University of Maryland, College Park, tillsammans med medarbetare vid University of California, Berkeley och Perimeter Institute of Theoretical Physics i Waterloo, Ontario. en tidning i naturen i mars 2019 och beskrev deras framgångsrika försök att göra just det.

De använde en kvantdator som består av en kedja av nio ytterbiumjoner som kyls av lasrar samtidigt som de hålls i en radiofrekvent fälla. UMD-forskarna implementerade en sju-qubit-krets i mitten av sju av de nio jonerna. Den första qubiten förvrängdes till tre par qubits, och spred informationen den innehöll till sex qubits totalt (varav en var den ursprungliga qubiten). De mätte sedan den sjunde qubiten, som hade parats med den sjätte qubiten. Med en trohet på cirka 80 % befanns den sjunde qubiten vara i ett kvanttillstånd som inte kan skiljas från den ursprungliga första qubiten.

Att tolka detta resultat är inte okomplicerat, men gruppen utförde flera kontrollexperiment som, av tekniska skäl som är för subtila för att förklara här, bekräftade deras påstående att informationen som ursprungligen endast kodades i den första qubiten verkligen delokaliserades över hela systemet.

Den förvrängningsinducerade teleporteringen som observerades i vårt experiment kan omtolkas som att simulera spridningen av information genom ett korsbart maskhål som förbinder ett par svarta hål, noterar Nature-tidningen.

Sådana experiment föreslår ett antal spännande möjligheter. Förmågan att leka med analoger till en framväxande form av rumtid gör det möjligt att testa vissa idéer om kvantgravitation.

Brown och co är helt klart exalterade. De skriver: Tekniken för kontroll av komplexa kvantsystem för många kroppar går snabbt framåt, och vi verkar vara i början av en ny era inom fysiken - studiet av kvantgravitation i labbet.

Ref: arxiv.org/abs/1911.06314 : Kvantgravitation i labbet: Teleportering efter storlek och överflyttbara maskhål.

---

Rättelse: 14 januari 2020

Den här historien sa ursprungligen: Summan av kardemumman är att den här typen av experiment är bortom den nuvarande kvantkonsten. Men det kan vara möjligt under de närmaste åren, med tanke på den hastighet med vilken fysiker utvecklar sina kvantfärdigheter. Detta uttalande var felaktigt. Texten har redigerats för att återspegla en experiment med fångade joner rapporterade i numret av Nature den 6 mars 2019 som åstadkommer exakt den sortens förvrängning, teleportering och avkodning som diskuterades.

Denna berättelse har redigerats ytterligare från den ursprungliga versionen för att återspegla det faktum att även om uppsatsen av Brown et al. publicerad den 14 november 2019, är verkligen tankeväckande, det är inte det första dokumentet som föreslår att kvantberäkningsexperiment på bord kan vara ett användbart och intressant sätt att få insikter om kvantgravitation.

Den här historien har också redigerats genomgående för tydlighetens skull.

MIT Technology Review beklagar felen.

Dölj