Наука и Техника

Наука И Техника
10 октября 2015

Квантовая запутанность и червоточины могут быть тесно связаны

Когда Альберт Эйнштейн поражался «жуткой» дальнодействующей связи между частицами, он не думал о своей общей теории относительности. Вековая теория Эйнштейна описывает, как возникает гравитация, когда массивные объекты деформируют ткань пространства и времени. Квантовая запутанность, тот жуткий источник эйнштейновского испуга, как правило, затрагивает крошечные частицы, которые незначительно действуют на гравитацию. Пылинка деформирует матрас ровно так же, как субатомная частица искривляет пространство.

Тем не менее физик-теоретик Марк Ван Раамсдонк подозревает, что запутанность и пространство-время на самом деле связаны между собой. В 2009 году он рассчитал, что пространство без запутанности не смогло бы удержать себя. Он написал работу, из которой вытекало, что квантовая запутанность является иглой, которая сшивает воедино гобелен космического пространства-времени.

Многие журналы отказались публиковать его работу. Но спустя годы изначального скептицизма изучение идеи того, что запутанность формирует пространство-время, стало одной из самых горячих тенденций в области физики. «Выходя из глубоких основ физики, все указывает на то, что пространство должно быть связано с запутанностью», — говорит Джон Прескилл, физик-теоретик из Калтеха.

В 2012 году появилась еще одна провокационная работа, представляющая парадокс запутанных частиц внутри и снаружи черной дыры. Менее чем через год два эксперта в этой области предложили радикальное решение: запутанные частицы соединяются червоточинами — туннелями пространства-времени, представленными еще Эйнштейном, которые в настоящее время одинаково часто появляются на страницах журналов по физике и в научной фантастике. Если это допущение верно, запутанность не является жутким дальнодействующим соединением, о котором думал Эйнштейн — а вполне реальным мостом, связывающим удаленные точки в пространстве.

Многие ученые находят эти идеи достойными внимания. В последние годы физики, казалось бы, несвязанных специальностей сошлись на этом поле запутанности, пространства и червоточин. Ученые, которые когда-то были сосредоточены на создании безошибочных квантовых компьютеров, сегодня размышляют, не является ли сама Вселенная квантовым компьютером, который тихо программирует пространство-время в сложной сети запутанностей. «Все прогрессирует невероятным образом», — говорит Ван Раамсдонк из Университета Британской Колумбии в Ванкувере.

Физики возлагают большие надежды на то, куда их заведет это соединение пространства-времени с запутанностью. ОТО блестяще описывает, как работает пространство-время; новые исследования могут приоткрыть завесу над тем, откуда берется пространство-время и на что оно похоже на мельчайших масштабах, лежащих во власти квантовой механики. Запутанность может быть секретным ингредиентом, который объединит эти пока что несовместимые области в теорию квантовой гравитации, позволив ученым понять условия внутри черной дыры и состояние Вселенной в первые моменты после Большого Взрыва.

Голограммы и банки с супом

Прозрение Ван Раамсдонка в 2009 году не материализовалось из воздуха. Оно уходит корнями в голографический принцип, идею того, что граница, ограничивающая объем пространства, может содержать всю информацию, в нем заключенную. Если применить голографический принцип к повседневной жизни, то любопытный сотрудник может идеально реконструировать все, что находится в офисе, — кипы бумаг, семейные фотографии, игрушки в углу и даже файлы на жестком диске компьютера — просто глядя на внешние стены квадратного офиса. Эта идея противоречива, учитывая то, что стены имеют два измерения, а интерьер офиса три. Но в 1997 году Хуан Малдасена, струнный теоретик тогда из Гарварда, привел интригующий пример того, что голографический принцип мог бы раскрыть о Вселенной.

Он начал с анти-де-ситтеровского пространства, которое напоминает пространство-время, в котором преобладает гравитации, но обладает рядом странных атрибутов. Оно изогнуто таким образом, что вспышка света, излученного в определенном месте, в конечном счете вернется оттуда, где появилась. И хотя Вселенная расширяется, анти-де-ситтеровское пространство не растягивается и не сжимается. Из-за таких особенностей кусок анти-де-ситтеровского пространства с четырьмя измерениями (тремя пространственными и одним временным) может быть окружен трехмерной границей.

Малдасена обращался к цилиндру анти-де-ситтеровского пространства-времени. Каждый горизонтальный срез цилиндра представляет состояние его пространства в данный момент, тогда как вертикальное измерение цилиндра представляет время. Малдасена окружил свой цилиндр границей для голограммы; если бы анти-де-ситтеровское пространство было банкой супа, то граница была бы этикеткой.

На первый взгляд кажется, что эта граница (этикетка) не имеет ничего общего с наполнением цилиндра. Пограничная «этикетка», к примеру, соблюдает правила квантовой механики, а не гравитации. И все же гравитация описывает пространство внутри содержимого «супа». Малдасена показал, что этикетка и суп были одним и тем же; квантовые взаимодействия на границе отлично описывают анти-де-ситтеровское пространство, которое закрывает эта граница. «Две этих теории кажутся совершенно разными, но точно описывают одно и то же», — говорит Прескилл.

Малдасена добавил запутанность в голографическое уравнение в 2001 году. Он представил пространство в двух банках с супом, каждая из которых содержит черную дыру. Затем создал эквивалент самодельного телефона из стаканчиков, соединяющего черные дыры с помощью червоточины — туннеля через пространство-время, впервые предложенного Эйнштейном и Натаном Розеном в 1935 году. Малдасена искал способ создать эквивалент такой связи пространства-времени на этикетках банок. Хитрость, как он понял, была в запутанности.

Как и червоточина, квантовая запутанность связывает объекты, которые не имеют очевидных отношений. Квантовый мир — расплывчатое место: электрон может вращаться в обе стороны одновременно, будучи в состоянии суперпозиции, пока измерения не предоставят точный ответ. Но если два электрона запутаны, измерение спина одного позволяет экспериментатору узнать спин другого электрона — даже если партнерский электрон находится в состоянии суперпозиции. Эта квантовая связь остается даже если электроны будут разделять метры, километры или световые годы.

Малдасена показал, что с помощью запутывания частиц на одной этикетке с частицами на другой можно идеально квантово-механически описать соединение червоточиной банок. В контексте голографического принципа, запутанность эквивалентна физическому связыванию кусков пространства-времени вместе.

Вдохновленный этой связью запутанности с пространством-временем, Ван Раамсдонк задался вопросом, насколько большую роль запутанность может играть в формировании пространства-времени. Он представил самую чистую этикетку на банке с квантовым супом: белую, соответствующую пустому диску анти-де-ситтеровского пространства. Но он знал, что, согласно основам квантовой механики, пустое пространство никогда не будет полностью пустым. Оно заполнено парами частиц, которые всплывают и исчезают. И этим мимолетные частицы запутаны.

Поэтому Ван Раамсдонк нарисовал воображаемую биссектрису на голографической этикетке и затем математически разорвал квантовую запутанность между частицами на одной половине этикетке и частицами на другой. Он обнаружил, что соответствующий диск анти-де-ситтеровского пространства начал делиться пополам. Будто бы запутанные частицы были крючками, которые удерживают полотно пространства и времени на месте; без них пространство-времени разлетается на части. По мере того, как Ван Раамсдонк понижал степень запутанности, часть подключенного к разделенным регионам пространства становилась тоньше, подобно резиновой нити, тянущейся от жвачки. «Это навело меня на мысль, что присутствие пространства начинается с присутствия запутанности».

Это было смелое заявление, и потребовалось время, чтобы работа Ван Раамсдонка, опубликованная в General Relativity and Gravitation в 2010 году, привлекла серьезное внимание. Огонь интереса всполыхнул уже в 2012 году, когда четверо физиков из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре написали работу, бросающую вызов общепринятым убеждениям о горизонте событий, точки невозврата черной дыры.

Истина, скрытая файрволом

В 1970-х годах физик-теоретик Стивен Хокинг показал, что пары запутанных частиц — тех же видов, которые Ван Раамсдонк позже анализировал в своей квантовой границе — могут распадаться на горизонте событий. Одна падает в черную дыру, а другая убегает вместе с так называемым излучением Хокинга. Этот процесс постепенно подтачивает массу черной дыры, в конечном итоге приводя к ее гибели. Но если черные дыры исчезают, вместе с ней должна исчезать и запись всего, что падало внутрь. Квантовая теория же утверждает, что информация не может быть уничтожена.

К 90-м годам несколько физиков-теоретиков, включая Леонарда Сасскинда из Стэнфорда, предложили решение этой проблемы. Да, сказали они, материя и энергия падает в черную дыру. Но с точки зрения внешнего наблюдателя, этот материал никогда не преодолевает горизонт событий; он словно балансирует на его грани. В результате горизонт событий становится голографической границей, содержащей всю информацию о пространстве внутри черной дыры. В конце концов, когда черная дыра испаряется, эта информация утекает в виде излучения Хокинга. В принципе, наблюдатель может собрать это излучение и восстановить всю информацию о недрах черной дыры.

В своей работе 2012 года физики Ахмед Альмхейри, Дональд Марольф, Джеймс Салли и Джозеф Полчинский заявили, что в этой картине что-то не так. Для наблюдателя, пытающегося собрать головоломку того, что находится внутри черной дыры, отметили одни, все отдельные части головоломки — частицы излучения Хокинга — должны быть запутаны между собой. Также каждая хокингова частица должна быть запутана со своим оригинальным партнером, который упал в черную дыру.

К сожалению, одной запутанности недостаточно. Квантовая теория утверждает, что для того, чтобы запутанность присутствовала между всеми частицами снаружи черной дыры, должна быть исключена запутанность этих частиц с частицами внутри черной дыры. Кроме того, физики обнаружили, что разрыв одной из запутанностей породил бы непроницаемую энергетическую стену, так называемый файрвол, на горизонте событий.

Многие физики усомнились в том, что черные дыры на самом деле испаряют все, что пытается проникнуть внутрь. Но сама возможность существования файрвола наводит на тревожные мысли. Ранее физики уже задумывались о том, как выглядит пространство внутри черной дыры. Теперь они не уверены в том, есть ли у черных дыр это «внутри» вообще. Все будто смирились, отмечает Прескилл.

Но Сасскинд не смирился. Он потратил годы, пытаясь доказать, что информация не исчезает внутри черной дыры; сегодня он так же убежден, что идея файрвола ошибочна, но доказать этого пока не смог. Однажды он получил загадочное письмо от Малдасены: «В нем было немного, — говорит Сасскинд. — Только ЭР = ЭПР». Малдасена, работающий сейчас в Институте продвинутых исследований в Принстоне, задумался о своей работе с банками супа 2001 года и заинтересовался, могут ли червоточины разрешить мешанину запутанности, порожденную проблемой файрвола. Сасскинд быстро подхватил эту идею.

В статье, опубликованной в немецком журнале Fortschritte der Physik в 2013 году, Малдасена и Сасскинд заявили, что червоточина — технически мост Эйнштейна-Розена, или ЭР — является пространственно-временным эквивалентом квантовой запутанности. (Под ЭПР понимают эксперимент Эйнштейна-Подольского-Розена, который должен был развеять мифологическую квантовую запутанность). Это означает, что каждая частица излучения Хокинга, независимо от того, как далеко она находится от начала, напрямую связана с недрами черной дыры посредством короткого пути через пространство-время. «Если двигать через червоточину, далекие вещи оказываются не такими уж и далекими», — говорит Сасскинд.

Сасскинд и Малдасена предложили собрать все частицы Хокинга и столкнуть их вместе, пока они не коллапсируют в черную дыру. Эта черная дыра была бы запутана, а значит соединена червоточиной с оригинальной черной дырой. Этот трюк превратил запутанную мешанину хокинговых частиц — парадоксально запутанных с черной дырой и между собой — в две черные дыры, соединенные червоточиной. Перегрузка запутанности разрешилась, и проблема файрвола была исчерпана.

Не все ученые прыгнули на подножку трамвая ЭР = ЭПР. Сасскинд и Малдасена признают, что им предстоит проделать еще много работы, чтобы доказать эквивалентность червоточин и запутанности. Но после обдумывания последствий парадокса файрвола, многие физики соглашаются, что пространство-время внутри черной дыры обязано своим существованием запутанности с излучением снаружи. Это важное прозрение, отмечает Прескилл, поскольку оно также означает, что вся ткань пространства-времени Вселенной, включая тот клочок, который занимаем мы, является продуктом квантового жуткого действия.

Космический компьютер

Одно дело сказать, что вселенная конструирует пространство-время посредством запутанности; совсем другое — показать, как вселенная это делает. Этой сложной задачей занялись Прескилл и коллеги, которые решили рассмотреть космос как колоссальный квантовый компьютер. Почти двадцать лет ученые работали над строительством квантовых компьютеров, которые используют информацию, зашифрованную в запутанных элементах, вроде фотонов или крошечных микросхем, чтобы решать проблемы, с которыми традиционные компьютеры справиться не могут. Команда Прескилла использует знание, полученное в результате этих попыток, чтобы предсказать, как отдельные детали внутри банки с супом могли бы отразиться на заполненной запутанностью этикетке.

Квантовые компьютеры работают, эксплуатируя компоненты, которые находятся в суперпозиции состояний, как носители данных — они могут быть нулями и единицами одновременно. Но состояние суперпозиции очень хрупкое. Избыток тепла, например, может разрушить состояние и всю заключенную в нем квантовую информацию. Эти потери информации, которые Прескилл сравнивает с рваными страницами в книге, кажутся неизбежными.

Но физики ответили на это, создав протокол квантовой коррекции ошибок. Вместо того чтобы полагаться на одну частицу для хранения квантового бита, ученые разделяют данные между несколькими запутанными частицами. Книга, написанная на языке квантовой коррекции ошибок, будет полна бреда, говорит Прескилл, но все ее содержимое можно будет восстановить, даже если половина страниц пропадет без вести.

Квантовая коррекция ошибок привлекла много внимания в последние годы, но теперь Прескилл и его коллеги подозревают, что природа придумала эту систему уже давно. В июне, в журнале Journal of High Energy Physics, Прескилл и его команда показали, как запутывание множества частиц на голографической границе идеально описывает одну частицу, притягиваемую гравитацией внутри куска анти-де-ситтеровского пространства. Малдасена говорит, что эта находка может привести к лучшему пониманию того, как голограмма кодирует все детали пространства-времени, которое окружает.

Физики признают, что их размышления должны пройти долгий путь, чтобы соответствовать реальности. В то время как анти-де-ситтеровское пространство предлагает физикам преимущество работы с хорошо определенной границей, у Вселенной нет такой четкой этикетки на банке с супом. Ткань пространства-времени космоса расширяется с момента Большого Взрыва и продолжает делать это в нарастающем темпе. Если вы отправите луч света в космос, он не развернется и не вернется; он будет лететь. «Непонятно, как определить голографическую теорию нашей Вселенной, — писал Малдасена в 2005 году. — Просто нет удобного места для размещения голограммы».

Тем не менее, как бы странно ни звучали все эти голограммы, банки с супом и червоточины, они могут стать перспективными дорожками, которые приведут к слиянию квантовых жутких действий с геометрией пространства-времени. В своей работе над червоточинами Эйнштейн и Розен обсудили возможные квантовые последствия, но не провели соединения со своими ранними работами