211service.com
Hoe een experiment op een tafelblad het fundament van de werkelijkheid zou kunnen testen
Diagram bovenop wolkenafbeelding Bron foto: Unsplash
Hier is een merkwaardig gedachte-experiment. Stel je een wolk van kwantumdeeltjes voor die verstrengeld zijn - met andere woorden, ze delen hetzelfde kwantumbestaan. Het gedrag van deze deeltjes is chaotisch. Het doel van dit experiment is om een kwantumboodschap over deze verzameling deeltjes te sturen. Het bericht moet dus naar de ene kant van de cloud worden verzonden en vervolgens uit de andere worden gehaald.
De eerste stap is dan om de wolk in het midden te verdelen, zodat de deeltjes aan de linkerkant afzonderlijk kunnen worden bestuurd van die aan de rechterkant. De volgende stap is om het bericht in het linkerdeel van de wolk te injecteren, waar het chaotische gedrag van de deeltjes het snel vervormt.
Kan zo'n bericht ooit worden ontcijferd?
In een nieuw artikel bespreken Adam Brown van Google in Californië en een aantal collega's, waaronder Leonard Susskind van Stanford University, de vader van de snaartheorie, precies hoe een dergelijke boodschap verrassend opnieuw kan verschijnen.
De verrassing is wat er daarna gebeurt, zeggen ze. Na een periode waarin het bericht grondig vervormd lijkt, ontcijfert het abrupt en komt het terug op een punt ver weg van waar het oorspronkelijk was ingevoegd. Het signaal is onverwacht opnieuw gefocust, zonder dat het helemaal duidelijk is wat het was dat als lens fungeerde, zeggen ze.
Maar het werkelijk buitengewone waar ze op wijzen, is dat zo'n experiment licht werpt op een van de diepste mysteries van het universum: de kwantumaard van zwaartekracht en ruimtetijd.
Eerst wat achtergrond uitleg. De sleutel tot het begrijpen van dit gedachte-experiment ligt in de aard van opkomende verschijnselen. Brown en co zeggen dat kwantumsystemen opkomende verschijnselen op precies dezelfde manier kunnen vertonen als gewone systemen.
Als twee mensen bijvoorbeeld met elkaar praten, is het fenomeen moeilijk te begrijpen vanuit het oogpunt van het modelleren van elk afzonderlijk molecuul in de lucht. De kamer waarin ze praten kan een miljard miljard miljard moleculen bevatten, die elke tiende van een nanoseconde met elkaar in botsing komen.
Het gesprek gaat hoe dan ook door. Ondanks de chaos is communicatie mogelijk, omdat het systeem niettemin opkomende collectieve modi bezit - geluidsgolven - die zich op een ordelijke manier gedragen, schrijven Brown en zijn collega's.
Een soortgelijk fenomeen werkt op het kwantumniveau. En het is dit opkomende fenomeen, beweren Brown en zijn collega's, dat de kwantumboodschap in het eerdere voorbeeld opnieuw focust.
Wanneer kwantumeffecten belangrijk zijn, kunnen complexe patronen van verstrengeling aanleiding geven tot kwalitatief nieuwe soorten opkomende collectieve fenomenen, schrijven ze. Een extreem voorbeeld van dit soort ontstaan is juist de holografische generatie van ruimtetijd en zwaartekracht uit verstrengeling, complexiteit en chaos.
Daarom staat dit gedachte-experiment zo in de belangstelling. Het stelt natuurkundigen in staat na te denken over een eenvoudig voorbeeld van een opkomend kwantumfenomeen en hoe ze er een in het laboratorium kunnen creëren en testen.
Dus hoe zouden ze zo'n experiment kunnen aanpakken? Brown en co zeggen dat er verschillende manieren zijn om het te benaderen. De eerste stap is het creëren van een set verstrengelde kwantumtoestanden die vervolgens kunnen worden gescheiden in twee sets om afzonderlijk te worden behandeld.
Een manier om dit te doen is door een verzameling verstrengelde paren te maken die bekend staan als Bell-paren. Brown en co merken op dat deze paren al zijn gemaakt met rubidium-atomen en met ingesloten ionen.
De volgende stap is het invoegen van kwantuminformatie in de ene helft van deze kwantumtoestanden. De laatste stap is om de kwantumevolutie van de andere helft van de kwantumtoestanden zodanig te beheersen dat de boodschap opnieuw kan verschijnen.
Er zijn echter al experimenten uitgevoerd die zo'n kwantumscrambling bewerkstelligen, waarbij informatie door een kwantumsysteem wordt verspreid en vervolgens wordt teruggewonnen. Met name een groep aan de Universiteit van Maryland, College Park, samen met medewerkers van de Universiteit van Californië, Berkeley, en het Perimeter Institute of Theoretical Physics in Waterloo, Ontario, publiceerde een paper in de natuur in maart 2019 waarin ze hun succesvolle poging om precies dat te doen beschrijven.
Ze gebruikten een kwantumcomputer die bestaat uit een keten van negen ytterbium-ionen die worden gekoeld door lasers terwijl ze in een radiofrequentieval worden vastgehouden. De UMD-onderzoekers implementeerden een circuit van zeven qubits in de middelste zeven van de negen ionen. De eerste qubit werd in drie paren qubits gecodeerd, waarbij de informatie die erin zat in totaal in zes qubits werd verspreid (waarvan één de originele qubit was). Vervolgens maten ze de zevende qubit, die was gekoppeld aan de zesde qubit. Met een getrouwheid van ongeveer 80% bleek de zevende qubit zich in een kwantumtoestand te bevinden die niet te onderscheiden was van de oorspronkelijke eerste qubit.
Het interpreteren van dit resultaat is niet eenvoudig, maar de groep voerde verschillende controle-experimenten uit die, om technische redenen die te subtiel waren om hier uit te leggen, hun bewering bevestigden dat de informatie die aanvankelijk alleen in de eerste qubit was gecodeerd, echt over het hele systeem was gedelokaliseerd.
De door scrambling geïnduceerde teleportatie die in ons experiment is waargenomen, kan opnieuw worden geïnterpreteerd als het simuleren van de verspreiding van informatie door een doorkruisbaar wormgat dat een paar zwarte gaten verbindt, merkt de Nature-paper op.
Dergelijke experimenten suggereren een aantal opwindende mogelijkheden. Het vermogen om te spelen met analogen van een opkomende vorm van ruimtetijd maakt het mogelijk om bepaalde ideeën over kwantumzwaartekracht te testen.
Brown en co zijn duidelijk enthousiast. Ze schrijven: De technologie voor de controle van complexe kwantum veel-lichamensystemen vordert snel, en we lijken aan het begin van een nieuw tijdperk in de natuurkunde te staan: de studie van kwantumzwaartekracht in het laboratorium.
Referentie: arxiv.org/abs/1911.06314 : Quantum Gravity in the Lab: teleportatie op grootte en verplaatsbare wormgaten.
Correctie: 14 januari 2020
Dit verhaal zei oorspronkelijk: Waar het op neerkomt, is dat dit soort experimenten de huidige kwantumkunst te boven gaat. Maar het zou in de komende jaren mogelijk kunnen zijn, gezien de snelheid waarmee natuurkundigen hun kwantumvaardigheden ontwikkelen. Deze verklaring was onjuist. De tekst is bewerkt om een experiment met gevangen ionen gerapporteerd in het nummer van Nature van 6 maart 2019 dat precies het soort klauteren, teleporteren en decoderen bereikt dat werd besproken.
Dit verhaal is verder bewerkt ten opzichte van de originele versie om het feit weer te geven dat hoewel het artikel van Brown et al. gepubliceerd op 14 november 2019, zeker tot nadenken stemt, is het niet het eerste artikel dat suggereert dat experimenten met quantumcomputing op tafel een nuttige en interessante manier kunnen zijn om inzicht te krijgen in de kwantumzwaartekracht.
Dit verhaal is ook overal bewerkt voor de duidelijkheid.
MIT Technology Review betreurt de fouten.