ساخت کرم چاله قابل عبور با کامپیوتر کوانتومی – وبلاگ هوش مصنوعی گوگل

کرم‌چاله‌ها – چین و چروک‌هایی در تار و پود فضازمان که دو مکان متفاوت را به هم متصل می‌کنند – ممکن است مانند چیزهای علمی تخیلی به نظر برسند. اما چه آنها در واقعیت وجود داشته باشند یا نه، مطالعه این اشیاء فرضی می‌تواند کلیدی برای مشخص کردن پیوند وسوسه‌انگیز بین اطلاعات و ماده باشد که دهه‌ها فیزیکدانان را به ستوه آورده است.

با کمال تعجب، یک کامپیوتر کوانتومی یک پلت فرم ایده آل برای بررسی این ارتباط است. ترفند استفاده از تناظری به نام AdS/CFT است که معادلی بین نظریه ای که گرانش و فضازمان (و کرمچاله ها) را در یک دنیای خیالی با هندسه خاص (AdS) توصیف می کند و یک نظریه کوانتومی که اصلاً حاوی گرانش نیست، ایجاد می کند. (CFT).

در «دینامیک کرم چاله قابل عبور در یک پردازنده کوانتومی» که امروز در نیچر منتشر شده است، گزارشی از همکاری با محققان در Caltech، Harvard، MIT و Fermilab برای شبیه‌سازی CFT در پردازنده Google Sycamore ارائه می‌کنیم. با مطالعه این نظریه کوانتومی روی پردازنده، می‌توانیم از مکاتبات AdS/CFT برای بررسی دینامیک یک سیستم کوانتومی معادل کرم‌چاله در مدل گرانش استفاده کنیم. پردازنده Google Sycamore جزو اولین پردازنده هایی است که وفاداری لازم برای انجام این آزمایش را دارد.

پس زمینه: آن را از Qubit

مکاتبات AdS/CFT در پایان یک سری از پرس و جوهای ناشی از این سوال کشف شد: حداکثر مقدار اطلاعاتی که می تواند در یک منطقه واحد جا شود چقدر است؟ اگر کسی از مهندس بپرسد که چه مقدار اطلاعات می تواند در یک دیتاسنتر ذخیره شود، احتمالاً پاسخ این است که بستگی به تعداد و نوع تراشه های حافظه داخل آن دارد. اما با کمال تعجب، آنچه در داخل مرکز داده است در نهایت بی ربط است. اگر قرار باشد تراشه‌های حافظه بیشتر و بیشتری با قطعات الکترونیکی متراکم‌تر و متراکم‌تر در مرکز داده جمع شود، در نهایت به یک سیاه‌چاله فرو می‌رود و در پشت افق رویداد ناپدید می‌شود.

هنگامی که فیزیکدانانی مانند جیکوب بکنشتاین و استیون هاوکینگ سعی کردند محتوای اطلاعاتی یک سیاهچاله را محاسبه کنند، در کمال تعجب متوجه شدند که این اطلاعات توسط ناحیه افق رویداد – نه با حجم سیاهچاله – به دست می آید. به نظر می رسد که اطلاعات داخل سیاهچاله در افق رویداد نوشته شده است. به طور خاص، یک سیاهچاله با افق رویداد که می توان با آن کاشی کاری کرد آ واحدهای کوچک مساحت (هر واحد که “منطقه پلانک” نامیده می شود، 2.6121×10 است.-70 متر2) حداکثر دارد آ/4 بیت اطلاعات. این حد به عنوان کران بکنشتاین-هاوکینگ شناخته می شود.

این کشف که حداکثر مقدار اطلاعاتی که می تواند در یک منطقه قرار گیرد نه با حجم آن، بلکه با سطح مرز منطقه متناسب است، به رابطه جالبی بین اطلاعات کوانتومی و دنیای فضایی سه بعدی تجربه روزمره ما اشاره کرد. این رابطه با عبارت “آن از کیوبیت” تجسم شده است، که توضیح می دهد چگونه ماده (“آن”) از اطلاعات کوانتومی (“کیوبیت”) پدید می آید.

مطالب پیشنهادی  نقشه برداری چندلایه بافت مغز از طریق آموزش متضاد هدایت شده تقسیم بندی - وبلاگ هوش مصنوعی گوگل

در حالی که رسمی کردن چنین رابطه‌ای برای فضازمان معمولی دشوار است، تحقیقات اخیر منجر به پیشرفت قابل‌توجهی با یک جهان فرضی با هندسه هذلولی شده است که به عنوان «فضای ضد سیتر» شناخته می‌شود که در آن نظریه گرانش کوانتومی به طور طبیعی ساخته شده است. در فضای ضد دی سیتر، توصیف حجمی از فضا با گرانش اعمال شده در آن را می توان به صورت رمزگذاری شده بر روی مرز محصور حجم در نظر گرفت: هر جسمی در داخل فضا دارای توصیف مربوطه بر روی مرز است و بالعکس. این مطابقت اطلاعات را اصل هولوگرافیک می نامند که یک اصل کلی است که از مشاهدات بکنشتاین و هاوکینگ الهام گرفته شده است.

نمایش شماتیک فضای ضد د سیتر (داخلی استوانه) و نمایش دوگانه آن به عنوان اطلاعات کوانتومی روی مرز (سطح استوانه).

مکاتبات AdS/CFT به فیزیکدانان اجازه می دهد تا اجسام موجود در فضا را با مجموعه های خاصی از کیوبیت های در حال تعامل روی سطح به هم متصل کنند. به این معنا که هر ناحیه از مرز، محتوای یک ناحیه در فضازمان را (در اطلاعات کوانتومی) رمزگذاری می‌کند، به طوری که ماده در هر مکان معینی می‌تواند از اطلاعات کوانتومی «ساخت» شود. این به پردازنده‌های کوانتومی اجازه می‌دهد تا مستقیماً با کیوبیت‌ها کار کنند و در عین حال بینش‌هایی در مورد فیزیک فضا-زمان ارائه دهند. با تعریف دقیق پارامترهای کامپیوتر کوانتومی برای تقلید از یک مدل مشخص، می‌توانیم به سیاه‌چاله‌ها نگاه کنیم، یا حتی جلوتر برویم و به دو سیاه‌چاله متصل به هم نگاه کنیم – پیکربندی معروف به کرم‌چاله یا پل انیشتین-رزن. .

آزمایش: گرانش کوانتومی در آزمایشگاه

با پیاده‌سازی این ایده‌ها بر روی یک پردازنده Sycamore، ما یک سیستم کوانتومی ساخته‌ایم که دوتایی تا یک کرم‌چاله قابل عبور است. این آزمایش که از زبان اطلاعات کوانتومی به فیزیک فضازمان از طریق اصل هولوگرافیک ترجمه شد، به یک ذره اجازه داد که در یک طرف کرمچاله بیفتد و آن را مشاهده کرد که در سمت دیگر ظاهر می شود.

اخیراً توسط دانیل جافریس، پینگ گائو و آرون وال امکان وجود کرم چاله های قابل عبور وجود دارد. در حالی که کرم‌چاله‌ها از دیرباز جزء اصلی داستان‌های علمی تخیلی بوده‌اند، هندسه‌های فضازمانی ممکن زیادی وجود دارند که در آن‌ها شکل‌گیری کرم‌چاله امکان‌پذیر است، اما یک کرم‌چاله که به‌طور ساده ساخته شده باشد، روی ذره‌ای که از آن عبور می‌کند فرو می‌ریزد. نویسندگان نشان دادند که یک موج ضربه ای – یعنی تغییر شکل فضازمان که با سرعت نور منتشر می شود – از انرژی منفی این مشکل را حل می کند و باعث می شود کرم چاله به اندازه کافی باز شود تا قابلیت عبور را فراهم کند. وجود انرژی منفی در یک کرم چاله قابل عبور شبیه انرژی منفی در اثر کازیمیر است، جایی که انرژی خلاء صفحات نزدیک به هم را به هم فشار می دهد. در هر دو مورد، مکانیک کوانتومی اجازه می‌دهد که چگالی انرژی در یک مکان معین در فضا مثبت یا منفی باشد. از سوی دیگر، اگر کرم چاله یک موج شوک از مثبت انرژی، هیچ اطلاعاتی اجازه عبور نخواهد داشت.

مطالب پیشنهادی  اعلام مجموعه داده تشابه عبارت پتنت

ساده ترین کاربرد اصل هولوگرافی برای ایجاد یک کرم چاله به تعداد بسیار زیادی کیوبیت نیاز دارد – در واقع، برای نزدیک شدن به راه حل های مداد و کاغذ ارائه شده توسط فیزیکدانان نظری، نیاز به تعداد زیادی کیوبیت است. از آنجایی که تعداد کیوبیت ها کاهش می یابد، اصلاحات اضافی مورد نیاز است که امروزه هنوز به خوبی درک نشده اند. ایده های جدیدی برای ساختن یک کرم چاله قابل عبور روی یک کامپیوتر کوانتومی با تعداد محدود کیوبیت مورد نیاز بود.

یکی از ما (Zlokapa) ایده‌هایی را از یادگیری عمیق برای طراحی یک سیستم کوانتومی کوچک که جنبه‌های کلیدی فیزیک گرانشی را حفظ می‌کند، اتخاذ کرد. شبکه های عصبی از طریق پس انتشار آموزش داده می شوند، روشی که پارامترها را با محاسبه مستقیم گرادیان از طریق لایه های شبکه بهینه می کند. برای بهبود عملکرد یک شبکه عصبی و جلوگیری از تطبیق بیش از حد آن با مجموعه داده آموزشی، متخصصان یادگیری ماشین (ML) تعداد زیادی تکنیک را به کار می گیرند. یکی از اینها، پراکندگی، تلاش برای محدود کردن جزئیات اطلاعات در شبکه با تنظیم وزن تا حد ممکن بر روی صفر است.

به طور مشابه، برای ایجاد کرم چاله، ما با یک سیستم کوانتومی بزرگ شروع کردیم و با آن مانند یک شبکه عصبی رفتار کردیم. انتشار پس‌انداز پارامترهای سیستم را به‌منظور حفظ خواص گرانشی به‌روزرسانی کرد در حالی که پراکندگی اندازه سیستم را کاهش داد. ما از ML استفاده کردیم تا سیستمی را بیاموزیم که تنها یک علامت گرانشی کلیدی را حفظ می کند: اهمیت استفاده از موج ضربه ای انرژی منفی. مجموعه داده آموزشی دینامیک ذره ای را که از کرم چاله ای که با انرژی منفی باز شده و با انرژی مثبت فرو می ریزد، مقایسه می کند. با حصول اطمینان از حفظ این عدم تقارن توسط سیستم آموخته شده، مدلی پراکنده مطابق با دینامیک کرمچاله به دست آوردیم.

روش یادگیری برای تولید یک سیستم کوانتومی پراکنده که دینامیک گرانشی را ثبت می کند. یک جفت منفرد از تمام شش اتصال ممکن بین یک گروه معین از چهار فرمیون تشکیل شده است.

با همکاری جافریس و تعدادی از همکاران از کلتک، فرمیلب و هاروارد، سیستم کوانتومی جدید را تحت آزمایش‌های متعددی قرار دادیم تا مشخص کنیم آیا رفتار گرانشی فراتر از امضاهای ناشی از امواج ضربه‌ای انرژی متفاوت را نشان می‌دهد یا خیر. برای مثال، در حالی که اثرات مکانیکی کوانتومی می‌توانند اطلاعات را در یک سیستم کوانتومی به روش‌های متنوعی منتقل کنند، اطلاعاتی که در فضازمان – از جمله از طریق یک کرم‌چاله – حرکت می‌کنند، باید از نظر علّی سازگار باشند. این و امضاهای دیگر در رایانه‌های کلاسیک تأیید شدند و تأیید کردند که دینامیک سیستم کوانتومی با تفسیر گرانشی مطابق با فرهنگ لغت اصل هولوگرافی مطابقت دارد.

پیاده سازی کرم چاله قابل عبور به عنوان یک آزمایش بر روی یک پردازنده کوانتومی یک فرآیند فوق العاده ظریف است. مکانیسم میکروسکوپی انتقال اطلاعات از طریق کیوبیت ها بسیار آشفته است: تصور کنید یک قطره جوهر در آب می چرخد. با سقوط یک ذره در یک کرم چاله، اطلاعات آن در کل سیستم کوانتومی در تصویر هولوگرافیک لکه دار می شود. برای اینکه موج ضربه ای انرژی منفی کار کند، درهم آمیختن اطلاعات باید از الگوی خاصی پیروی کند که به عنوان سیم پیچی با اندازه کامل شناخته می شود. پس از برخورد ذره به موج شوک انرژی منفی، الگوهای آشفته عملاً برعکس پیش می‌روند: وقتی ذره از کرم‌چاله بیرون می‌آید، گویی قطره جوهر دقیقاً با از بین بردن انتشار آشفته اولیه‌اش به هم برگشته است. اگر در هر نقطه ای از زمان، یک خطای کوچک رخ دهد، دینامیک آشفته خود را خنثی نمی کند و ذره از کرم چاله عبور نمی کند.

مطالب پیشنهادی  پیش بینی تبلیغات خصوصی با DP-SGD - وبلاگ هوش مصنوعی گوگل

ترک کرد: مدار کوانتومی که یک کرم چاله قابل عبور را توصیف می کند. یک جفت کیوبیت با حداکثر درهم تنیدگی (“جفت EPR”) به عنوان یک کاوشگر درهم تنیدگی برای ارسال کیوبیت از طریق کرم چاله استفاده می شود. کیوبیت در یک زمان در سمت چپ کرم چاله مبادله می شود – t; موج شوک انرژی در زمان 0 اعمال می شود. و سمت راست کرمچاله در زمان اندازه گیری می شود تی1. درست: عکسی از پردازنده کوانتومی Google Sycamore.

در پردازنده کوانتومی Sycamore، ما اندازه‌گیری کردیم که چه مقدار اطلاعات کوانتومی از یک سمت سیستم به سمت دیگر منتقل می‌شود در هنگام اعمال موج ضربه‌ای منفی در مقابل انرژی مثبت. ما یک عدم تقارن جزئی بین دو انرژی مشاهده کردیم که نشانه کلیدی یک کرم چاله قابل عبور را نشان می دهد. با توجه به حساسیت پروتکل به نویز، نرخ خطای کم پردازنده Sycamore برای اندازه گیری سیگنال حیاتی بود. با حتی 1.5 برابر مقدار نویز، سیگنال به طور کامل پنهان می شد.

مشتاقانه منتظر است

با ادامه پیشرفت دستگاه‌های کوانتومی، نرخ خطای کمتر و تراشه‌های بزرگ‌تر به کاوشگرهای عمیق‌تر پدیده‌های گرانشی اجازه می‌دهند. برخلاف آزمایش‌هایی مانند LIGO که داده‌های مربوط به گرانش را در دنیای اطراف ما ثبت می‌کند، رایانه‌های کوانتومی ابزاری برای کشف نظریه‌های گرانش کوانتومی ارائه می‌کنند. ما امیدواریم که کامپیوترهای کوانتومی به توسعه درک ما از نظریه های آینده گرانش کوانتومی فراتر از مدل های فعلی کمک کنند.

گرانش تنها نمونه ای از توانایی منحصر به فرد رایانه های کوانتومی برای بررسی نظریه های پیچیده فیزیکی است: پردازنده های کوانتومی می توانند بینشی در مورد کریستال های زمان، آشوب کوانتومی و شیمی ارائه دهند. کار ما که دینامیک کرم‌چاله را نشان می‌دهد، گامی به سوی کشف فیزیک بنیادی با استفاده از پردازنده‌های کوانتومی در Google Quantum AI است.

همچنین می توانید اطلاعات بیشتری در مورد این نتیجه در اینجا بخوانید.

سپاسگزاریها

مایلیم از کاترین مک کورمیک، ارتباط دهنده علوم کوانتومی خود برای کمک در نوشتن این پست وبلاگ تشکر کنیم.

سئو PBN | خبر های جدید سئو و هک و سرور