タイムトラベルはもう夢ではない？科学者たちは「ホログラフィックワームホール」のシミュレーションに成功しました！

最近、科学者たちは

「ホログラフィックワームホール」に関するニュースが話題に

それは皆の間で議論を引き起こした

ワームホールとは何ですか?

本当にこれを使ってタイムトラベルできるのでしょうか?

今日はワームホールについて学びましょう

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ワームホール？あれは虫が住む穴ですか？

宇宙のワームホールは、科学者が存在するかもしれないと推測している特別なトンネルです。その両端は、遠く離れた二つの時間と空間を結びます。理論的には、ワームホールの端から端まで移動できれば、光速を超える時間と空間の移動が可能になります。

映画「インターステラー」の最後で、主人公はワームホールに入り、時空を旅しました。興味のある学生はぜひ見に行ってみてください！

画像出典: 映画「インターステラー」のスクリーンショット

ワームホールを理解するには、まず「ブラックホール」と「ホワイトホール」を理解する必要があります。ホーキング博士の2つの人気科学書『宇宙の簡潔な歴史』と『宇宙の簡潔な説明』のおかげで、ブラックホールの概念は長い間人々の心に深く根付いてきました。恒星が死ぬと体積が縮小し、密度が増して光さえも逃れられないほどの極めて高い密度になる天体です。いわゆるホワイトホールは、実はブラックホールとは反対の性質を持つ特殊な天体です。その特徴は、常に何かを「吐き出す」ことであり、放出するだけで吸収しないことです。

一方はすべてを飲み込み、もう一方はすべてを「吐き出す」。ブラックホールがたまたまホワイトホールと繋がっていたら何が起こるか想像できますか?これがワームホールが形成されるときです。

画像出典: 中国科学院理論物理研究所のワームホール模式図

1915年にアインシュタインは一般相対性理論を提唱しました。アインシュタインの理論では、空間と時間はもはや絶対的かつ不変ではなく、可塑性があり相互依存的であり、物質の存在によって影響を受けます。 1935年、アインシュタインと助手のローゼンは一般相対性理論の枠組みでブラックホールを研究し、時空の2つの異なる領域間のチャネルを接続する「アインシュタイン・ローゼン橋」の概念を初めて提案しました。 1950 年代に物理学者ウィーラーはこの橋を「ワームホール」と名付けました。

これは面白そうじゃないですか？ワームホールに入ると、宇宙のあらゆる場所に現れたり、時空を旅したり、人生を書き換えたり、かつて後悔していたことを再選択したりすることもできます。しかし、一般相対性理論ではワームホールの存在が認められているものの、物理学者は宇宙でワームホールを観測したことがなく、現在のところ人類が実際に観測したのはブラックホールのみである。

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量子ワームホールとは何ですか?

宇宙でワームホールはまだ発見されていないが、科学者たちはすでにワームホールを作り出し、ワームホール間で情報が伝達される現象を観察している。ただし、時間と空間を旅することについてはまだ考えないでください。このワームホールは、前述の重力ワームホールではなく、量子ワームホールです。

最近、英国の雑誌「ネイチャー」に掲載された論文で、量子プロセッサを使用してホログラフィックワームホールの量子「シミュレーション」を実行することが初めて報告されました。このホログラフィック ワームホールは、ワームホールを介して量子状態を 1 つの量子システムから別の量子システムに正常に転送します。

私たちが想像する時間と空間を移動できるワームホールを「時空ワームホール」と呼ぶなら、量子状態における量子ワームホールは「マイクロワームホール」と呼ぶことができます。

では、量子ワームホールを研究することに何の価値があるのでしょうか?

これは、一般相対性理論と量子力学はそれぞれ長い間発展してきたものの、両者の間には依然として量子重力という根本的な「矛盾」が存在しているためです。

具体的には、「一般相対性理論」は重力を記述し、星、惑星、銀河などの大規模なスケールに適用できます。一方、「量子力学」は微視的スケールで作用する他の 3 つの基本的な力を説明します。二人は「握手して和解」できるのか？それは量子重力がどのように動作するかによって決まります。

物理学者はもちろん実験を通じてこれをテストしたいと考えていますが、残念ながら、量子重力のエネルギーと規模は、これまでの実験室環境ではシミュレートおよび観察できません。ここでホログラフィーが登場し、物理学者がオリジナルに匹敵するがそれほど複雑ではないシステムを作成するのに役立ちます。これは、2 次元ホログラムを使用して 3 次元画像の詳細を表示するのに似ています。

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量子ワームホールはどのようにして生成されるのでしょうか?

2019年、Googleの物理学者は、物理学実験室で再現できる量子状態は、2つのブラックホール間のワームホールを通過する情報として解釈できるという実験的仮説を提唱した。

現在、Google、MIT、フェルミ国立加速器研究所、カリフォルニア工科大学の科学者らは、9個の量子ビットと1台の量子コンピュータを使用して、対応する量子ダイナミクスをシミュレートしました。同じ量子チップ内に、2つの量子もつれシステムを作成し、そのうちの1つの量子システムに量子ビットを配置しました。その結果、研究者たちは、この量子ビットからの情報が別の量子システムで「ワームホールを通って移動する」のを観測し、その結果は予想された重力特性と一致した。

これはどういう意味ですか？ 2 組のエンタングルメント粒子の間にワイヤーまたはその他の物理的な接続を配置し、粒子がワームホールの 2 つの開口部をエンコードできるようにすることを想像できます。

この結合効果により、片側の粒子を操作すると、反対側の粒子に変化が生じます。このようにして、両側の粒子間にワームホールを開くことができます。

画像クレジット: inqnet/A.Mueller 量子コンピューターシミュレーションは、情報がどのようにワームホールを通過するかを示しています

議論の余地はあるものの、この前例のない実験は、量子情報から何らかの形で時空が出現する可能性を探るものでした。量子デバイスが改良され続けると、エラー率は低下し、チップはより強力になり、重力現象のより深い研究が可能になります。

終わり

出典：中国科学院物理研究所、Jimu News

科学技術日報、グローバルサイエンス、量子ビット

編集者: 董暁賢

編集者: グル