Labmedya - Laboratuvar ve Sağlık Gazetesi

Bilim insanları ilk kez, özel bir tür teorik solucan deliğinin dinamiklerini veya davranışını incelemelerine izin veren bir kuantum deneyi geliştirdiler. Deney, araştırmacıların teorik solucan delikleri ile sözde kuantum yerçekiminin bir tahmini olan kuantum fiziği arasındaki bağlantıları araştırmasına izin veriyor. Kuantum yerçekimi, yerçekimini kuantum fiziğiyle ilişkilendirmeyi amaçlayan bir dizi teoriyi ifade eder; bu, doğası gereği birbiriyle uyumsuz görünen iki temel ve iyi çalışılmış doğa tanımıdır. 

ABD Enerji Bakanlığı Bilim Ofisi araştırma programı Kuantum İletişim Kanalları Temel Fizik için baş araştırmacı Maria Spiropulu, "Yerçekimsel bir solucan deliğinin temel özelliklerini sergileyen, ancak günümüzün kuantum donanımına uygulamak için yeterince küçük olan bir kuantum sistemi bulduk" dedi.

Bu çalışma, bir kuantum bilgisayarı kullanarak kuantum yerçekimi fiziğini test etmek için daha büyük bir programa doğru bir adım oluşturuyor. Gelecekte kuantum algılamayı kullanarak kuantum yerçekimi etkilerini araştırabilecek diğer planlanmış deneylerle aynı şekilde doğrudan kuantum yerçekimi araştırmalarının yerini almaz, ancak kuantum yerçekimi fikirlerini uygulamak için güçlü bir test ortamı sunar.

Solucan delikleri, uzay-zamanda iki uzak bölge arasındaki köprülerdir. Deneysel olarak gözlemlenmediler, ancak bilim adamları 100 yıla yakın bir süredir varlıkları ve özellikleri hakkında teoriler geliştirdiler. 1935'te Albert Einstein ve Nathan Rosen, yerçekimini uzay-zamanın bir eğriliği olarak tanımlayan Einstein'ın genel görelilik teorisine uygun olarak solucan deliklerini uzay-zaman dokusundan geçen tüneller olarak tanımladılar. Araştırmacılar solucan deliklerini Einstein-Rosen köprüleri olarak adlandırırken, "solucan deliği" terimi 1950'lerde fizikçi John Wheeler tarafından icat edildi.

Solucan delikleri ve kuantum fiziğinin, özellikle de dolaşıklığın (iki parçacığın çok uzak mesafelerde bağlı kalabildiği bir fenomen) bir bağlantıya sahip olabileceği fikri ilk olarak 2013'te Juan Maldacena ve Leonard Susskind tarafından teorik araştırmalarda önerildi. Fizikçiler solucan deliklerinin ( veya “ER”) dolaşıklığa eşdeğerdi (kavramı ilk öneren Albert Einstein, Boris Podolsky [PhD '28] ve Nathan Rosen'den sonra “EPR” olarak da bilinir). Özünde, bu çalışma yerçekimi dünyaları ile kuantum fiziği arasında yeni bir tür teorik bağlantı kurdu. ER = EPR çalışmasından Spiropulu, "Bu çok cüretkar ve şiirsel bir fikirdi" diyor.

Daha sonra 2017'de Jafferis, meslektaşları Ping Gao ve Aron Wall ile birlikte ER = EPR fikrini yalnızca solucan deliklerini değil, geçilebilir solucan deliklerini de kapsayacak şekilde genişletti. Bilim adamları, negatif itici enerjinin bir solucan deliğini, bir şeyin bir uçtan diğer uca geçmesine yetecek kadar açık tuttuğu bir senaryo uydurdu. Araştırmacılar, geçilebilir bir solucan deliğinin bu yerçekimsel tanımının, kuantum ışınlanması olarak bilinen bir sürece eşdeğer olduğunu gösterdi.  Optik fiber ve hava yoluyla uzun mesafelerde deneysel olarak kanıtlanmış bir protokol olan kuantum ışınlamada,  bilgi kuantum dolaşıklık ilkeleri kullanılarak uzayda taşınır.

Mevcut çalışma, solucan deliklerinin kuantum ışınlanmasıyla eşdeğerliğini araştırıyor. Caltech liderliğindeki ekip, uzayda bir noktadan diğerine seyahat eden bilginin yerçekimi dilinde (solucan delikleri) veya kuantum fiziği dilinde (kuantum dolaşıklığı) tanımlanabileceği fikrini araştıran ilk deneyleri gerçekleştirdi.

Caltech'ten Ronald ve Maxine Linde Teorik Fizik ve Matematik Profesörü Alexei Kitaev, basit bir kuantum sisteminin daha sonra Gao, Jafferis ve Wall tarafından açıklanan aynı ikiliği sergileyebileceğini gösterdiğinde, 2015'te olası deneylere ilham veren önemli bir bulgu ortaya çıktı. Modelin kuantum dinamiklerinin kuantum yerçekimi etkilerine eşdeğer olduğunu. Bu Sachdev–Ye–Kitaev veya SYK modeli (adını Kitaev ile Subir Sachdev ve Jinwu Ye'den almıştır), araştırmacıları bazı teorik solucan deliği fikirlerinin üzerinde deneyler yaparak daha derinlemesine çalışılabileceğini önermeye yöneltmiştir.

Jafferis ve Gao, 2019'da bu fikirleri ilerleterek, araştırmacıların iki SYK modelini birbirine karıştırarak solucan deliği ışınlaması gerçekleştirebilmesi ve böylece geçilebilir solucan deliklerinden beklenen dinamik özellikleri üretip ölçebilmesi gerektiğini gösterdi.

Yeni çalışmada, fizikçilerden oluşan ekip ilk kez bu tür bir deney gerçekleştirdi. Yerçekimi özelliklerini korumak için hazırlanmış "bebek" SYK benzeri bir model kullandılar ve solucan deliği dinamiklerini Google'daki bir kuantum cihazında, yani Sycamore kuantum işlemcisinde gözlemlediler. Bunu başarmak için ekibin önce SYK modelini basitleştirilmiş bir biçime indirmesi gerekiyordu; bu, geleneksel bilgisayarlarda makine öğrenimi araçlarını kullanarak başardıkları bir başarıydı.

Spiropulu, "Mevcut kuantum mimarilerinde kodlanabilecek ve yerçekimi özelliklerini koruyacak basit bir SYK benzeri kuantum sistemi bulmak ve hazırlamak için öğrenme teknikleri kullandık. Başka bir deyişle, SYK kuantum sisteminin mikroskobik tanımını basitleştirdik ve kuantum işlemcide bulduğumuz etkili modeli inceledik. Modelin bir özelliğindeki optimizasyonun diğer ölçütleri nasıl koruduğu merak uyandırıyor ve şaşırtıcı! Modelin kendisi hakkında daha iyi içgörüler elde etmek için daha fazla test planlıyoruz."dedi.

Deneyde araştırmacılar, SYK benzeri sistemlerinden birine geleneksel silikon tabanlı bilgisayarlardaki bitin kuantum eşdeğeri olan bir kübit yerleştirdiler ve diğer sistemden bilgi çıktığını gözlemlediler. Bilgi, bir kuantum sisteminden diğerine kuantum ışınlanması yoluyla aktarıldı - veya yerçekiminin tamamlayıcı dilinde konuşursak, kuantum bilgisi geçilebilir solucan deliğinden geçti.

Zlokapa "Yerçekimi resminde geçilebilir bir solucan deliğine eşdeğer bir tür kuantum ışınlanma gerçekleştirdik. Bunu yapmak için kuantum sistemini yerçekimi özelliklerini koruyan en küçük örneğe basitleştirerek Google'daki Sycamore kuantum işlemcisine uygulayabilmemiz gerekti." şeklinde aktardı.

Caltech'te yüksek lisans öğrencisi olan eş-yazar Samantha Davis, "Sonuçlara ulaşmak gerçekten çok uzun zaman aldı ve sonuç bizi şaşırttı." dedi.

Caltech'te Teorik Fizik Profesörü ve Richard P. Feynman Profesörü John Preskill, "Bu tür bir deneyin yakın vadeli önemi, yerçekimi perspektifinin başka türlü gizemli olan çok parçacıklı kuantum fenomenini anlamak için basit bir yol sağlamasıdır. Bu yeni Google deneyinde ilginç bulduğum şey, makine öğrenimi yoluyla, yerçekimi resminin tahmin ettiği şeyin makul bir karikatürünü korurken, sistemi mevcut bir kuantum makinesinde simüle edilecek kadar basit hale getirebilmeleriydi." dedi.

Çalışmada fizikçiler hem yerçekimi hem de kuantum fiziği açısından beklenen solucan deliği davranışını rapor ediyor. Örneğin, kuantum bilgisi cihaz boyunca iletilebilse veya çeşitli şekillerde ışınlanabilse de deneysel sürecin, en azından bazı açılardan, bilginin bir solucan deliğinden geçmesi durumunda olabileceklere eşdeğer olduğu gösterildi. Bunu yapmak için ekip, negatif itici enerji darbesi veya zıt pozitif enerji darbeleri kullanarak "solucan deliğini açmaya" çalıştı. Geçilebilir bir solucan deliğinin anahtar imzalarını, yalnızca solucan deliklerinin nasıl davranması beklendiğiyle tutarlı olan negatif enerji eşdeğeri uygulandığında gözlemlediler.

Spiropulu, "Kullandığımız kuantum işlemcinin yüksek doğruluğu çok önemliydi. Hata oranları yüzde 50 daha yüksek olsaydı, sinyal tamamen gizlenmiş olurdu. Yarım olsalardı, sinyalin 10 katına sahip olurduk!”dedi.

Gelecekte, araştırmacılar bu çalışmayı daha karmaşık kuantum devrelerine genişletmeyi umuyorlar. Gerçek kuantum bilgisayarlar hala yıllarca uzakta olsa da ekip mevcut kuantum hesaplama platformlarında bu türden deneyler yapmaya devam etmeyi planlıyor.

Spiropulu, "Kuantum dolaşıklığı, uzay-zaman ve kuantum yerçekimi arasındaki ilişki, temel fizikteki en önemli sorulardan biridir ve aktif bir teorik araştırma alanıdır. Bu fikirleri kuantum donanımı üzerinde test etmeye yönelik bu küçük adımı atmaktan heyecan duyuyoruz ve atmaya devam edeceğiz." şeklinde aktardı.

Makale:nature.com