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量子コンピュータ上で再現したワームホールを通して量子データを送信することに成功

科学者たちは、ワームホールの力学を研究するための量子コンピューティング実験に初めて成功した事を発表した。

ワームホールは、ジョディ・フォスターが『コンタクト』で見せたような荒唐無稽なものから、『インターステラー』での時間を超越した展開に至るまで、伝統的にSFの世界のものである。しかし、『Nature』誌12月1日号に掲載されたこの実験の研究者たちは、自分たちの研究が、この現象を実際に研究する物理学者の助けになることを期待している。

カリフォルニア工科大学の物理学者であるMaria Spiropulu(マリア・スピロプル)氏は、ニュースリリースで次のように述べている。「私たちは、重力ワームホールの重要な特性を示しながら、今日の量子ハードウェアで実現できるほど十分に小さい量子系を発見しました」。Nature誌の論文の主執筆者であるSpiropulu氏は、連邦政府が資金提供している研究プログラム「Quantum Communication Channels for Fundamental Physics」の研究責任者である。

とはいえ、アルファ・ケンタウリへの荷造りはまだ早い。このワームホールのシミュレーションは、コンピューターで作られたブラックホールや超新星と同じようなシミュレーションに過ぎない。そして、物理学者は、実際に通過可能なワームホールを作ることができる条件をまだ見出していない。誰かが最初に負のエネルギーを作り出さなければならないのだ。

コロンビアの理論物理学者であるPeter Woit(ピーター・ウォイト)氏は、この研究に対してあまり大騒ぎをしないようにと警告している。

「『物理学者がワームホールを作る』という主張は全くのデタラメで、このことについて大衆を欺くための大キャンペーンは不名誉であり、特に物理学研究や科学全般の信頼性にとって非常に役に立たない」と、彼は「Not Even Wrong」というブログに書いている。

この研究の主な目的は、一般相対性理論と量子力学を統合しようとする量子重力と呼ばれる概念に光を当てることであった。この2つの理論は、重力の仕組みと素粒子の世界の構造をそれぞれ見事に説明しているが、互いにうまくかみ合ってはいない。

ワームホールのテレポーテーションは、量子もつれの原理に従っているのではないかというのが、大きな疑問の1つだ。この量子現象は、ノーベル賞を受賞した研究のおかげで、よりよく理解され、現実の世界でも実証されている。これは、アルベルト・アインシュタインが「spooky action at a distance(不気味な遠隔作用)」と呼んだものを可能にする方法で、素粒子や他の量子系を連結することを含んでいる。

Spiropulu氏と、主執筆者のDaniel Jafferis(ダニエル・ジャフェリス)氏とAlexander Zlokapa(アレクサンダー・ズロカパ)氏を含む彼女の同僚たちは、量子もつれの物理学をワームホールの力学に適用するコンピューターモデルを作った。このプログラムは、Sachdev-Ye-Kitaevモデル(SYK)と呼ばれる理論的枠組みをベースにしている。

大きな課題は、このプログラムを量子コンピュータで実行しなければならないことだったGoogleの量子プロセッシングチップ「Sycamore」は、従来の機械学習ツールの助けを借りて、この課題に取り組むのに十分な性能を持っていた。

「我々は、機械学習技術を利用して、現在の量子アーキテクチャで符号化でき、重力の特性を維持できる、単純なSYKのような量子系を見つけて準備しました。言い換えれば、我々は、SYK量子系の微視的記述を単純化し、その結果得られた有効モデルを量子プロセッサー上で研究したのです。」と、Spiropulu氏は述べている。

研究者達は、2つのもつれた系のうちの1つに、情報をコード化した量子ビット(qubit)を挿入して、もう1つの系から情報が出てくるのを観察している。研究者たちの目から見ると、量子ビットはあたかもワームホールを介してブラックホール間を通過したかのように見えた

「この結果に至るまでには本当に長い時間がかかりましたが、その結果には自分たちでも驚いています。」と、この研究の共著者の一人であるカリフォルニア工科大学の研究者Samantha Davis氏は言う。

研究チームは、ワームホールのシミュレーションにおいて、負のエネルギーに相当するものをかけると、一方のシステムからもう一方のシステムに情報が流れ、正のエネルギーをかけると流れないことを発見した。これは、理論家が現実のワームホールに期待するものと一致している

量子回路がより複雑になれば、ワームホールの挙動をより忠実にシミュレーションできるようになり、基礎理論に新たなひねりが加えられる可能性がある、と研究者たちは考えている。

「量子もつれ、時空、量子重力の関係は、基礎物理学における最も重要な問題の1つであり、理論研究が活発に行われている分野です。我々は、量子ハードウェアでこれらのアイデアをテストするための小さな一歩を踏み出したことに興奮しており、今後も続けていくつもりです。」とSpiropulu教授は語る。

Jafferis、Zlokapa、Spiropulu、Davisに加えて、「Traversable Wormhole Dynamics on a Quantum Processor」と題されたNature論文の著者には、Joseph Lykken, David Kolchmeyer, Nikolai Lauk and Hartmut Nevenが名を連ねている。


論文

    研究の要旨

    ホログラフィーの原理は、量子重力の性質として理論化されたもので、空間の体積の記述が低次元の境界に符号化されることを仮定するものである。反デシター(AdS)/共形場理論対応または双対性がホログラフィーの主要な例である。N ≫ 1 のマジョラナフェルミオンの Sachdev-Ye-Kitaev (SYK) 模型 は、AdS2 における重力双対性の存在を示唆する特徴を持ち、ホログラフィーの新しい実現例である。我々は、SYK多体系と重力のホログラフィック対応を利用し、SYKモデルで実装されているトラバース可能なワームホール機構を通して、エンタングルメントと時空間幾何学の間に予想されているER=EPRの関係を探る。量子ビットは、対応するテレポーテーションプロトコルを通じて、SYKトラバーサブルワームホールのダイナミクスを調べるために使用することができる。これは、量子ビット数が無限の半古典極限における重力絵と等価な量子回路として実現することができる。ここでは、学習技術を利用してスパース化したSYKモデルを構築し、量子ビット回路上の164個の2量子ビットゲートで実験的に実現し、対応するトラバース可能なワームホールのダイナミクスを観測する。その近似的な性質にもかかわらず、スパース化SYKモデルは、完全な大きさの巻線、負のエネルギー衝撃波と一致するワームホールの両側の結合、Shapiro時間遅延、ワームホールから現れる信号の因果関係時間順序、スクランブルと熱化ダイナミクスといったトラバーサブルワームの物理の主要特性を保持している。我々の実験は、Google Sycamoreプロセッサで実行された。2次元重力デュアルシステムを調べることにより、我々の研究は実験室で量子重力を研究するためのプログラムへの一歩となる。将来的には、ハードウェアのスケーラビリティと性能の向上、および、より高次元の量子重力デュアルや他のSYK様モデルなどの理論的発展が必要である。


    この記事は、ALAN BOYLE氏によって執筆され、Universe Todayに掲載されたものを、クリエイティブ・コモンズ・ライセンス(表示4.0 国際)に則り、翻訳・転載したものです。元記事はこちらからお読み頂けます。

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