“Abbiamo trovato un sistema quantistico che mostra le proprietà chiave di un wormhole gravitazionale ma è sufficientemente piccolo per essere implementato sull’hardware quantistico di oggi”, afferma Maria Spiropulu, ricercatrice principale del programma di ricerca Quantum Communication Channels for Fundamental Physics del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti. (QCCFP) e Shang-Yi Ch’en Professore di Fisica al Caltech. “Questo lavoro costituisce un passo verso un programma più ampio di test della fisica della gravità quantistica utilizzando un computer quantistico. Non sostituisce le sonde dirette della gravità quantistica allo stesso modo di altri esperimenti pianificati che potrebbero sondare gli effetti della gravità quantistica in futuro utilizzando il rilevamento quantistico, ma offre un potente banco di prova per esercitare le idee sulla gravità quantistica”.
La ricerca è stata pubblicata il 1° dicembre sulla rivista Nature. I primi autori dello studio sono Daniel Jafferis dell’Università di Harvard e Alexander Zlokapa (BS ’21), un ex studente universitario al Caltech che ha iniziato questo progetto per la sua tesi di laurea con Maria Spiropulu e da allora è passato alla scuola di specializzazione al MIT.
I wormhole sono ponti tra due regioni remote nello spaziotempo. Non sono stati osservati sperimentalmente, ma gli scienziati teorizzano la loro esistenza e le loro proprietà da quasi 100 anni. Nel 1935, Albert Einstein e Nathan Rosen descrissero i wormhole come tunnel attraverso il tessuto dello spaziotempo secondo la teoria della relatività generale di Einstein, che descrive la gravità come una curvatura dello spaziotempo. I ricercatori chiamano i wormhole ponti di Einstein-Rosen in onore dei due fisici che li hanno invocati, mentre il termine stesso “wormhole” è stato coniato dal fisico John Wheeler negli anni ’50.
L’idea che i wormhole e la fisica quantistica, in particolare l’entanglement (un fenomeno in cui due particelle possono rimanere collegate a grandi distanze), possano avere una connessione è stata proposta per la prima volta nella ricerca teorica di Juan Maldacena e Leonard Susskind nel 2013. I fisici hanno ipotizzato che i wormhole (o “ER”) erano equivalenti all’entanglement (noto anche come “EPR” da Albert Einstein, Boris Podolsky [PhD ’28] e Nathan Rosen, che per primi proposero il concetto). In sostanza, questo lavoro ha stabilito un nuovo tipo di legame teorico tra i mondi della gravità e la fisica quantistica. “È stata un’idea molto audace e poetica”, afferma la studiosa greca Maria Spiropulu, del lavoro ER = EPR.
Successivamente, nel 2017, Jafferis, insieme ai suoi colleghi Ping Gao e Aron Wall, ha esteso l’idea ER = EPR non solo ai wormhole ma anche ai wormhole attraversabili. Gli scienziati hanno inventato uno scenario in cui l’energia repulsiva negativa mantiene un wormhole aperto abbastanza a lungo da permettere a qualcosa di passare da un’estremità all’altra. I ricercatori hanno dimostrato che questa descrizione gravitazionale di un wormhole attraversabile è equivalente a un processo noto come teletrasporto quantistico. Nel teletrasporto quantistico, un protocollo che è stato dimostrato sperimentalmente su lunghe distanze tramite fibra ottica e via etere, le informazioni vengono trasportate attraverso lo spazio utilizzando i principi dell’entanglement quantistico.
Il presente lavoro esplora l’equivalenza dei wormhole con il teletrasporto quantistico. Il team guidato da Caltech ha eseguito i primi esperimenti che sondano l’idea che le informazioni che viaggiano da un punto all’altro nello spazio possono essere descritte nel linguaggio della gravità (i wormhole) o nel linguaggio della fisica quantistica (entanglement quantistico).
Una scoperta chiave che ha ispirato possibili esperimenti si è verificata nel 2015, quando Alexei Kitaev del Caltech, professore di fisica teorica e matematica di Ronald e Maxine Linde, ha mostrato che un semplice sistema quantistico potrebbe esibire la stessa dualità successivamente descritta da Gao, Jafferis e Wall, come che le dinamiche quantistiche del modello sono equivalenti agli effetti della gravità quantistica. Questo modello Sachdev-Ye-Kitaev, o SYK (dal nome di Kitaev, e Subir Sachdev e Jinwu Ye, altri due ricercatori che hanno lavorato al suo sviluppo in precedenza) ha portato i ricercatori a suggerire che alcune idee teoriche sui wormhole potrebbero essere studiate più a fondo facendo esperimenti su processori quantistici.
Promuovendo queste idee, nel 2019, Jafferis e Gao hanno dimostrato che intrecciando due modelli SYK, i ricercatori dovrebbero essere in grado di eseguire il teletrasporto di wormhole e quindi produrre e misurare le proprietà dinamiche previste per wormhole attraversabili.
Nel nuovo studio, il team di fisici ha eseguito per la prima volta questo tipo di esperimento. Hanno usato un modello simile a SYK “baby” preparato per preservare le proprietà gravitazionali e hanno osservato le dinamiche del wormhole su un dispositivo quantistico di Google, vale a dire il processore quantistico Sycamore. Per raggiungere questo obiettivo, il team ha dovuto prima ridurre il modello SYK a una forma semplificata, un’impresa ottenuta utilizzando strumenti di apprendimento automatico su computer convenzionali.
“Abbiamo impiegato tecniche di apprendimento per trovare e preparare un semplice sistema quantistico simile a SYK che potesse essere codificato nelle attuali architetture quantistiche e che preservasse le proprietà gravitazionali”, afferma Spiropulu. “In altre parole, abbiamo semplificato la descrizione microscopica del sistema quantistico SYK e studiato il modello effettivo risultante che abbiamo trovato sul processore quantistico. È curioso e sorprendente come l’ottimizzazione su una caratteristica del modello abbia preservato le altre metriche! Abbiamo piani per ulteriori test per ottenere informazioni migliori sul modello stesso.”
Nell’esperimento, i ricercatori hanno inserito un qubit — l’equivalente quantistico di un bit nei computer convenzionali basati su silicio — in uno dei loro sistemi simili a SYK e hanno osservato che le informazioni emergevano dall’altro sistema. L’informazione viaggiava da un sistema quantistico all’altro tramite il teletrasporto quantistico o, parlando nel linguaggio complementare della gravità, l’informazione quantistica passava attraverso il wormhole attraversabile.
“Abbiamo eseguito una sorta di teletrasporto quantistico equivalente a un wormhole attraversabile nell’immagine gravitazionale. Per fare ciò, abbiamo dovuto semplificare il sistema quantistico al più piccolo esempio che conserva le caratteristiche gravitazionali in modo da poterlo implementare sul processore quantistico Sycamore di Google,” dice Zlokapa.
La coautrice Samantha Davis, una studentessa laureata al Caltech, aggiunge: “Ci è voluto molto tempo per arrivare ai risultati e ci siamo sorpresi del risultato”.
“Il significato a breve termine di questo tipo di esperimento è che la prospettiva gravitazionale fornisce un modo semplice per comprendere un fenomeno quantistico a molte particelle altrimenti misterioso”, afferma John Preskill, Richard P. Feynman Professor of Theoretical Physics presso Caltech e direttore di l’Istituto per l’informazione quantistica e la materia (IQIM). “Quello che ho trovato interessante di questo nuovo esperimento di Google è che, tramite l’apprendimento automatico, sono stati in grado di rendere il sistema abbastanza semplice da simulare su una macchina quantistica esistente, pur mantenendo una ragionevole caricatura di ciò che prevede l’immagine gravitazionale”.
Nello studio, i fisici riportano il comportamento del wormhole previsto sia dal punto di vista della gravità che dalla fisica quantistica. Ad esempio, mentre le informazioni quantistiche possono essere trasmesse attraverso il dispositivo, o teletrasportate, in vari modi, il processo sperimentale si è dimostrato equivalente, almeno in qualche modo, a ciò che potrebbe accadere se le informazioni viaggiassero attraverso un wormhole. Per fare ciò, il team ha tentato di “aprire il wormhole” utilizzando impulsi di energia repulsiva negativa o di energia positiva opposta. Hanno osservato le firme chiave di un wormhole attraversabile solo quando è stato applicato l’equivalente di energia negativa, il che è coerente con il comportamento previsto dei wormhole.
“L’alta fedeltà del processore quantistico che abbiamo utilizzato era essenziale”, afferma Spiropulu. “Se i tassi di errore fossero superiori del 50 percento, il segnale sarebbe stato completamente oscurato. Se fossero la metà avremmo 10 volte il segnale!”?
In futuro, i ricercatori sperano di estendere questo lavoro a circuiti quantistici più complessi. Sebbene i computer quantistici in buona fede possano ancora essere lontani anni, il team prevede di continuare a eseguire esperimenti di questa natura su piattaforme di calcolo quantistico esistenti.
“La relazione tra entanglement quantistico, spaziotempo e gravità quantistica è una delle questioni più importanti nella fisica fondamentale e un’area attiva della ricerca teorica”, afferma Spiropulu. “Siamo entusiasti di fare questo piccolo passo verso la sperimentazione di queste idee su hardware quantistico e continueremo così”.
Lo studio intitolato “Traversable wormhole dynamics on a quantum processor” è stato finanziato dal Department of Energy Office of Science degli Stati Uniti tramite il programma di ricerca QCCFP. Altri autori sono: Joseph Lykken del Fermilab; David Kolchmeyer, già ad Harvard e ora postdoc al MIT; Nikolai Lauk, ex postdoc al Caltech; e Hartmut Neven di Google.
Ulteriori informazioni sono disponibili sul sito Web di Alliance for Quantum Technologies: https://inqnet.caltech.edu/wormhole2022/
