科学者たちは量子コンピューター上で小さなワームホールをモデル化した

物理学者、数学者、天文学者、さらには映画製作者でさえ、ワームホールの概念に長い間魅了されてきました。ワームホールは予測不可能で、しばしば不安定な現象で、時空をまたいでトンネル（および 2 つの離れた場所を結ぶ近道）を作り出すと考えられています。別の理論では、2 つのブラックホールを正しい方法で接続すると、ワームホールを作成できるとされています。

ワームホールの研究は、最終的な絵がどのようなものになるか分からないまま、不完全なパズルを組み立てるようなものです。周囲の完成した画像に基づいて、隙間に何を入れるべきかを大まかに推測することはできますが、確実に知ることはできません。それは、ワームホールが実際に存在するという決定的な証拠がまだないからです。しかし、物理学の基本方程式と理論のいくつかの解は、そのような実体が存在することを示唆しています。

これまでに推測されたことに基づいてこの宇宙の幻影の特性を理解するために、カリフォルニア工科大学、ハーバード大学、MIT、フェルミ国立加速器研究所、Google の研究者らは、同じプロセッサ上にある 2 つの量子システムの間に小さな「ワームホール」効果を作り出しました。さらに、研究チームはそれを介して信号を送信することに成功しました。

Quantaによれば、この成果は、同じくワームホールテレポーテーションの確立を目指していた IBM-Quantinuum チームを Caltech-Google チームが上回ったという。

残念ながら彼らが作ったのは時空構造を貫く本当の亀裂ではないが、このシステムはワームホールの既知の力学を模倣している。物理学者が通常考慮する正または負のエネルギー、重力、粒子の挙動といった特性に関して、このコンピューターシミュレーションは事実上、小さなワームホールのように見え、そのように動作する。このモデルは、研究室環境で宇宙の基本的な問題を研究する方法であると、チームは記者会見で述べた。このシステムを説明する論文が今週、ネイチャー誌に掲載された。

「私たちは、重力ワームホールの重要な特性を示しながら、現在の量子ハードウェアで実装できるほど小さい量子システムを発見しました」とカリフォルニア工科大学の物理学教授マリア・スピロプル氏はプレスリリースで述べた。「この研究は、量子コンピュータを使用して量子重力物理学をテストするという、より大規模なプログラムに向けた一歩となります。」

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量子重力は、重力を支配する法則（物質とエネルギーの振る舞いを記述）と量子力学（原子と粒子の振る舞いを記述）がどのように組み合わさるかを仮定する一連の理論です。研究者たちは、私たちの宇宙における量子重力を記述する正確な方程式をまだ持っていません。

科学者たちは約100年にわたって重力とワームホールの関係について考えてきたが、量子物理学の現象であるエンタングルメントがその関係に関係していると考えられるようになったのは2013年になってからだった。そして2017年には、別の科学者グループが、通過可能なワームホールは量子テレポーテーション（エンタングルメントの原理を使って空間を越えて情報を転送する）のように機能すると示唆した。

最新の実験は、Google の Sycamore 量子プロセッサのわずか 9 キュービット (従来のコンピューティングにおける 2 進ビットの量子版) で実行され、チームは機械学習を使用してワームホール システムの簡易版をセットアップしました。「これは現在の量子アーキテクチャでエンコードでき、重力特性を維持できます」と Spiropulu 氏は説明します。実験中、情報 (キュービットの形式) が 1 つのシステムを介して送信され、別のシステムに正しい順序で再び表示されることが示されました。これはワームホールのような動作です。

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では、研究者たちはどのようにして、特別なルールと幾何学が備わった箱の中に小さな宇宙を構築するのでしょうか。Google によると、異なる物理理論間の特別なタイプの対応 (技術的には AdS/CFT として知られています) により、科学者たちはホログラムのような宇宙を構築し、「空間内のオブジェクトを表面で相互作用する特定の量子ビットの集合に接続」できるようになったと、研究者たちはブログ記事に書いています。「これにより、量子プロセッサは量子ビットを直接操作しながら、時空物理学への洞察を提供できます。量子コンピュータのパラメータを注意深く定義して特定のモデルをエミュレートすることで、ブラックホールを観察できるほか、さらに進んで、互いに接続された 2 つのブラックホール (ワームホールと呼ばれる構成) を観察することもできます。」

研究者たちは機械学習を利用して、いくつかの重要な重力特性を維持し、モデルに表現させたいエネルギーダイナミクスを維持する完璧な量子システムを見つけた。さらに、フェルミオンと呼ばれる粒子をシミュレートする必要もあった。

研究チームは記者会見で、私たちの宇宙は量子チップで観測されたホログラム宇宙と同様のルールで動いているという強力な証拠があると述べた。研究者らは Google ブログ記事で次のように書いている。「重力は、複雑な物理理論を調査する量子コンピューターのユニークな能力の一例に過ぎません。量子プロセッサーは、時間結晶、量子カオス、化学に関する洞察を提供することができます。」