Alice modernă schimbă ochiul cu o gaură de vierme pentru a explora țara minunilor cuantice

Dacă Lewis Carroll ar fi în viață astăzi, nu s-ar deranja cu o oglindă. Cartea lui s-ar numi Alice prin gaura de vierme.

Fiind matematicianul care a fost, Carroll (alias Charles Dodgson) s-ar fi ținut la curent cu cele mai recente evoluții din fizica cuantică. Fără îndoială, ar fi intrigat de o nouă lucrare care descrie o idee pentru crearea (sau cel puțin simularea) unei găuri de vierme în laborator pentru a testa cele mai recente idei care leagă găurile negre cu ciudățenia cuantică.

Carroll ar fi deosebit de fericit să vadă că micuța Alice a crescut pentru a deveni o fiziciană cuantică, colaborând cu cineva pe nume Bob (al cărui precursor fictiv nu a fost încă identificat). Alice și Bob sunt cercetătorii principali (ipotetici) ai unor mistere precum criptografia cuantică și încurcarea cuantică. Ei sunt în special pricepuți la teleportarea cuantică, în care informațiile necesare pentru a reconstrui o particulă cuantică pot fi transportate dintr-un laborator (al lui Alice) în altul (al lui Bob).

Teleportarea unei particule cuantice (de obicei un foton, o particulă de lumină) este câteva secole de știință mai puțin de a teleporta căpitanul Kirk din Afacere la suprafața unei planete unde pericolul pândește. Dar bazele conceptuale sunt acum puse la punct. Noua lucrare, postată în arhiva online de fizică, de fapt, propune o schemă care îi permite lui Alice să teleporteze o persoană (numită Tom, dintr-un motiv oarecare) către Bob – printr-o gaură de vierme.

De obicei, găurile de vierme (dacă există) ar conecta regiuni îndepărtate ale spațiu-timpului. Ele nu ar fi utile pentru călătoriile intergalactice Hyperloop, deoarece orice intră într-o gaură de vierme ar provoca colapsul acesteia. Dar multă muncă din ultimii ani sugerează că astfel de tuneluri spațiu-timp ar putea lega două găuri negre, caz în care călătoria prin ele devine posibilă, chiar dacă nu este fezabilă din punct de vedere fizic, emoțional sau economic.

Călătoria prin găuri de vierme între găurile negre este posibilă din cauza încurcăturii cuantice, una dintre specialitățile lui Alice și Bob. Într-un univers cuantic (cum ar fi cel în care trăiești), particulele care interacționează pot deveni „încurcate” în așa fel încât să existe într-o singură „stare cuantică”. Într-o astfel de stare, o măsurătoare efectuată pe una dintre particule poate dezvălui informații despre cealaltă particulă, indiferent cât de departe este a doua particulă. Această conexiune înfricoșătoare este greu de explicat. Unele teorii par să modereze misterul propunând că particulele încurcate sunt conectate prin găuri de vierme.

În termeni tehnici, această legătură este desemnată prin „ecuația” ER=EPR. ER reprezintă Einstein și Rosen, cei doi fizicieni care au scris lucrarea fundamentală care descrie găurile de vierme (cunoscute altfel sub numele de poduri Einstein-Rosen). EPR înseamnă Einstein, Podolsky și Rosen (da, același Rosen – și același Einstein, de altfel), cei trei fizicieni care au scris o lucrare timpurie care descrie întanglementarea cuantică (în principal pentru a se plânge de ea).

Dacă ideea de bază a ER=EPR este corectă, atunci s-ar putea foarte bine ca oamenii să călătorească prin găuri de vierme, așa cum a discutat fizicianul de la Stanford Leonard Susskind (printre altele) într-o serie de lucrări interesante. De fapt, susține Susskind, Alice și Bob ar putea dovedi ER=EPR pur și simplu sărind în două găuri negre încurcate, legate printr-o gaură de vierme. Alice și Bob s-ar întâlni în mijlocul găurii de vierme, verificând astfel teoria ER=EPR și câștigând ei înșiși premii Nobel. Cu excepția ușoarei probleme că nu puteau ieși din gaura de vierme (sau chiar să trimită un mesaj), așa că nimeni nu ar fi știut vreodată cum au mers lucrurile odată ce Alice și Bob s-au întâlnit în cele din urmă în persoană (sau că s-au întâlnit deloc). Ele ar fi ascunse pentru totdeauna în spatele orizontului evenimentelor găurilor negre, suprafața prin care niciun semnal din interior nu poate scăpa.

Totuși, în ultima sa lucrare, Susskind și Ying Zhao, tot de la Stanford, oferă speranță. Pare posibil, spun Susskind și Zhao, să imite găurile negre încurcate în laborator. Alice și Bob nu ar trebui să-și riște viitorul – l-ar putea trimite pe Tom prin gaura de vierme creată de laborator pentru a vedea dacă a supraviețuit. „Combinarea teleportarii cuantice cu ideea că găurile negre încurcate sunt conectate prin poduri Einstein-Rosen implică faptul că ER=EPR ar putea fi, în principiu, testat de observatori care ei înșiși nu trec niciodată orizontul”, susțin Susskind și Zhao.

OK, Tom nu este cu adevărat o persoană în acest plan; el este doar un simbol pentru teleportat. Un teleportat poate fi pur și simplu un foton, o particulă care conține informații cuantice pe care Alice ar dori să o trimită lui Bob. (Un astfel de foton ar putea, de exemplu, să conțină informații importante pentru un calcul pe care îl efectuează Bob.) Alice nu poate pur și simplu măsura informațiile fotonului, le scrie și le trimite prin e-mail lui Bob. Privirea fotonului reduce multiplele rezultate posibile ale măsurătorilor la o singură stare definită (de exemplu, spin îndreptat în sus). Bob are nevoie de o particulă care să rețină multiplele rezultate posibile care fac informațiile cuantice atât de bogate.

Totuși, toată informația cuantică a unei particule poate fi teleportată dacă Bob și Alice împărtășesc o pereche de fotoni încâlciți anterior. Alice permite fotonului ei încurcat să interacționeze cu Tom (fotonul teleportat) și înregistrează rezultatul. (Acest proces DISTRUGE teleportatul!) Apoi Alice îl sună pe Bob sau îi trimite un mesaj cu rezultatul. Bob poate efectua apoi o operație asupra fotonului său încurcat, care are ca efect restabilirea lui Tom în starea sa inițială, readucendu-l LA VIAȚĂ! (Metaforic.)

Dacă ER=EPR are dreptate, Tom de fapt nu a murit, ci a călătorit prin gaura de vierme care leagă fotonii încâlciți ai lui Bob și Alice. Într-o demonstrație matematică complet elaborată, Susskind și Zhao descriu cum funcționează acest lucru. Un punct cheie este că procesul de teleportare a informațiilor cuantice necesită comunicarea informațiilor obișnuite prin canale standard: pentru a teleporta un bit cuantic (sau qubit) de informație, Alice trebuie să-i trimită lui Bob cel puțin doi biți obișnuiți de informație mai lent decât lumina. semnalizare de un fel. Deci, nu există nicio acțiune înfricoșătoare „instantanee” la distanță, așa cum sugerează unele interpretări greșite comune.

Susskind și Zhao recunosc că nu este foarte probabil ca Alice și Bob să se aventureze vreodată în spațiu pentru a găsi două găuri negre conectate corespunzător, cu atât mai puțin să convingă pe cineva pe nume Tom să vină. Dar este posibil să ne imaginăm un facsimil de laborator al unui astfel de aranjament de găuri negre pereche. Poate că unii fizicieni inteligenți ai materiei condensate ar putea concepe două „cochilii mari de materie” care să imite geometria spațio-temporală gravitațională ciudată, necesară pentru această lucrare. Aceste cochilii ar fi conectate printr-o gaură de vierme, astfel încât Alice și Bob ar putea sări înăuntru (ar trebui să „se contopească cu materia care formează scoici”) și să se întâlnească „într-un loc în afara spațiu-timpului obișnuit”. Dar ei tot nu ar fi capabili să informeze pe nimeni din lumea exterioară despre succesul lor. Alice ar trebui să-l determine pe Tom să fuzioneze cu una dintre obuze pentru a-l putea teleporta la Bob.

„Când Tom iese din… carapacea lui Bob, își va aminti tot ce a întâlnit și poate confirma că a traversat într-adevăr gaura de vierme”, susțin Susskind și Zhao.

Pe de altă parte (și acest lucru pare mai promițător), două computere cuantice ar putea fi încurcate pentru a simula călătoria în gaura de vierme. Simularea unei persoane reale ar necesita calculatoare cuantice cu o capacitate de stocare a memoriei inimaginabil de mare. Dar cu un computer cuantic de 100 de qubiți (mult mai mare decât orice disponibil în laboratoare astăzi, dar de gândit), un teleportat de 10 qubiți ar putea fi trimis prin gaura de vierme. Micile variații în starea inițială a teleportatului ar permite computerelor să detecteze modul în care acesta a reacționat la condițiile din gaura de vierme, oferind astfel dovezile necesare pentru a verifica existența găurii de vierme, confirmând că ER=EPR.

„Nu pare să existe o obstrucție în principiu a teleportării în laborator prin gaura de vierme”, spun Susskind și Zhao. „La prima vedere, acest lucru pare oarecum fantastic, dar având în vedere că laboratorul face parte dintr-o lume cuantică-gravitațională în care ER=EPR, concluzia pare inevitabilă.”

Așa cum ar fi și cartea ulterioară despre aventură. Uită de Alice. S-ar numi Tom prin gaura de vierme. Hrănește-ți capul cu asta, White Rabbit.

Urmărește-mă pe Twitter: @tom_siegfried