Come Ricreare Un Wormhole Con Un Computer Quantistico

I Wormhole sono ipotetici ponti che collegherebbero due regioni spazio-temporali molto distanti. Per Einstein erano una soluzione delle sue equazioni di campo, un ponte impossibile da attraversare, senza perdere informazione, tra due buchi neri, o tra un buco nero e un buco bianco (ponte di Einstein-Rosen). Per i sostenitori dell’interpretazione quantistica sarebbero aperture effimere spazio-temporale che formano la molteplicità dei mondi. 

A novembre ne è stato simulato uno, mediante il Sycamore Quantum Computer di Google e i risultati sono stati pubblicati il 30 Novembre su Nature (Traversable Wormhole Dynamics On A Quantum Processor). Tramite queste simulazioni (modello SYK) gli scienziati sono riusciti a far viaggiare dei qubit  (le unità minime di informazione quantistica) da un sistema di particelle all'altro, proprio come un ipotetico corpo dotato di massa potrebbe viaggiare da un buco nero ad un altro tramite un Wormhole. Questa simulazione si basa sulla possibilità dell’esistenza della gravità quantistica, ovvero di un modello teorico che metterebbe insieme la teoria della relatività generale e la fisica quantistica. I computer quantistici sfruttano alcune proprietà della meccanica quantistica per ottenere una potenza di calcolo superiore a quella di un normale computer e l’unità minima di informazione al suo interno non sono i bit ma, appunto, i qubit. Questi, sfruttano l’informazione trasportata da ogni singolo elettrone e possono assumere, contemporaneamente e con probabilità diverse, qualsiasi combinazione dei valori 0 e 1. Questo consente di svolgere molte operazioni contemporaneamente e di velocizzare notevolmente i calcoli. Per particelle entangled (alla base anche della crittografia quantistica) si intendono due particelle i cui stati sono intrinsecamente collegati fra loro, evadendo il principio di causalità. La natura dell’una dipende da quella dell’altra, o meglio, dalla sua misurazione. Nel caso di questo esperimento, le due particelle entangled erano due buchi neri, sempre simulati grazie al computer quantistico. E' stato codificato un fenomeno 3D in uno spazio a 2dimensioni. Tramite questo meccanismo quantistico è possibile rendere attraversabile un Wormhole (senza perdere informazione), ha spiegato David K.Kolchmeyer, uno degli autori della pubblicazione, introducendo un'interazione diretta tra le regioni spaziali distanti. Sostanzialmente, i ricercatori hanno virtualmente inviato un segnale attraverso il Wormhole simulato da Sycamore, sfruttando il cosiddetto teletrasporto quantistico, che tramite l’entanglement consente il trasporto di informazioni su lunga distanza (ciò sta alla base della tecnologia della fibra ottica). In generale grazi a delle tecniche di apprendimento automatico sono stati generati esempi di sistemi con un comportamento coerente con la gravità quantistica ma che richiedessero solo circa 10 qubit per essere processati. Il sogno di raggiungere altri sistemi stellari, altre galassie, lontane anni luce sarebbe possibile solo con i tunnel cosmici uniti al warp drive, il motore a curvatura che distorce lo spaziotempo e scava una sorta di Wormhole. Se si piega lo spaziotempo come un foglio di carta, un foro nel foglio permette una scorciatoia vertiginosa da una parte all’altra dell’Universo. 

Se i due punti si toccano, il trasporto è istantaneo. Per alcuni fisici potrebbero essere strutture a più dimensioni e quindi non percepibili in un mondo tridimensionale; è stata ipotizzata la figura geometrica del toro, una specie di ciambella. Tra gli Anni 70 e 80 del secolo passato, diversi fisici, tra cui Kip Thorne ha proposto Wormhole attraversabili da esseri umani: il punto è che servirebbe della materia esotica (utilizzando stringhe cosmiche) quindi energia negativa che si pensa possa formarsi in prossimità dei buchi neri. Secondo Visser servirebbe circa la massa di Giove per tenere aperto un Wormhole di circa 1 metro.

A livello di nanoscale, dell’energia negativa è stata rilevata durante un esperimento della NASA. Secondo alcuni fisici, i Wormholes potrebbero essere una specie di buchi neri senza singolarità, stelle che collassano ma senza sprofondare. L’idea è che siano sottoposti a due pressioni, radiale e tangenziale, che stabilizzano e rendono traversabile la gola del Wormhole. Candidati osservati, ma misteriosi, sono i Gamma Ray Bursts, sorgenti astrofisiche più luminosi di una supernova.

DESCRIZIONE DELLA SIMULAZIONE

Per eseguire il protocollo di teletrasporto Wormhole sul computer quantistico di Google è stato utilizzato un modello SYK semplificato (quello completo è costituito da un numero quasi infinito di particelle, accoppiate l’una all’altra con punti di forza casuali man mano che si verificano interazioni a quattro vie). Un calcolo di questa portata richiede centinaia di migliaia di operazioni di circuito. I ricercatori hanno dunque deciso di creare un Wormhole olografico con pochi qubit e centinaia di operazioni riducendo il modello SYK a 7 particelle, codificando solo le interazioni a quattro vie più forti ed escludendo le altre, facendo però attenzione a mantenere le proprietà olografiche del modello. Grazie al machine learning si può ridurre il modello fino a 7 particelle, senza modificare la fisica della gravità. Zlokapa ha usato il machine learning per mappare le interazioni delle particelle del modello SYK sulle connessioni tra i neuroni di una rete neurale, e ha addestrato il sistema a eliminare il maggior numero possibile di connessioni di rete, pur preservando una firma chiave del Wormhole. La procedura ha ridotto il numero di interazioni a 4 vie da centinaia a 5.

Successivamente, il team ha iniziato a programmare i qubit di Sycamore. 7 qubit codificano 14 particelle, di cui 7 in ciascuno dei sistemi SYK sinistro e destro. Ogni particella a sinistra è entangled con una a destra. Un ottavo qubit, in una combinazione probabilistica degli stati 0 e 1, viene scambiato con una delle particelle del modello SYK di sinistra.

I possibili stati di quell’ottavo qubit si aggrovigliano rapidamente con gli stati delle altre particelle a sinistra, diffondendo le sue informazioni uniformemente tra di loro. Questo è olograficamente duale al qubit che entra nella bocca sinistra di un Wormhole unidimensionale nello spazio AdS.

In seguito, tutti gli stati dei qubit di destra ruotano, processo duale a un impulso di energia negativa che scorre attraverso il wormhole. La rotazione fa sì che il qubit iniettato si trasferisca alle particelle del modello SYK di destra. In seguito vengono misurati gli stati dei qubit dove il conteggio degli 0 e degli 1 e il confronto di queste statistiche con lo stato preparato dei qubit iniettati rivela se i qubit si stanno teletrasportando. Se il segnale è presente, sottoforma di un picco, allora le rotazioni dei qubit rappresentano impulsi duali all’energia negativa e consentono ai qubit di teletrasportarsi.

Se invece il picco non compare, le rotazioni sono nella direzione opposta. Ciò significa che sono duali a impulsi di normale energia positiva, quindi i qubit non possono passare (Wormhole chiuso).

In seguito è stato osservato che il picco è apparso sullo schermo del computer. L'idea alla base era dimostrare che le informazioni che viaggiano da un punto all'altro nello spazio possano essere descritte nel linguaggio della gravità (i wormhole) o nel linguaggio della fisica quantistica (entanglement quantistico). Tramite un computer quantistico, tempo fa, era stata anche invertita la direzione del tempo.