Заглянуть за горизонт событий: квантовые компьютеры в борьбе с тайнами пространства-времени

Чёрные дыры веками озадачивали учёных своим таинственным центром — сингулярностью, где привычные законы физики перестают действовать. Недавно исследователи, используя квантовые вычисления и машинное обучение, сделали новый шаг в понимании этого феномена, создав карту квантового состояния сложных матричных моделей.

Голографический принцип — мост между измерениями

В основе работы лежит голографический принцип: идея о том, что гравитация в трёхмерном пространстве и квантовые частицы на двумерной поверхности связаны и описывают одну и ту же реальность.

По сути, чёрная дыра издалека выглядит как двумерная проекция, скрывающая глубокую связь между пространством, временем и материей.

Этот принцип может иметь значение для всей Вселенной, возможно, пространство само является проекцией квантовых законов.

"В общей теории относительности Эйнштейна пространство-время существует, но частиц нет, в Стандартной модели частицы существуют, но гравитации нет" — объясняет исследователь Ринальди Смит.

Найти между ними связь — задача, которую решают с помощью новых технологий.

Квантовые вычисления и матричные модели

Команда применила квантовые компьютеры и глубокое обучение для анализа матричных моделей — математических систем, объединяющих частицы и гравитацию.

Цель — определить основное состояние матрицы с минимальной энергией, что раскрывает природу пространства и времени.

Это похоже на песок в ведре: ровная поверхность — основное состояние, а волны — возбуждённые состояния.

С помощью квантовых схем, где каждый провод связан с кубитом, учёные настроили операции, словно играя музыку, чтобы добиться нужной гармонии — основного состояния.

"Очень важно понять, как выглядит основное состояние, это как знать, является ли материал проводником или сверхпроводником" — говорит Ринальди.

Использование квантовых и нейросетевых алгоритмов позволяет получить полную волновую функцию, а не только энергию.

Значение для понимания чёрных дыр

Понимание матриц — один из ключей к разгадке внутреннего устройства чёрных дыр: что происходит за горизонтом событий, как возникла сингулярность.

Это важный шаг к квантовой теории гравитации, объединяющей классическую и квантовую физику.

Однако возможности квантовых компьютеров пока ограничены количеством кубитов, что мешает усложнять модели.

В будущем учёные планируют исследовать более крупные матрицы и устойчивость алгоритмов к шуму.

Основные компоненты чёрных дыр:

• Сингулярность — точка с бесконечно искривлённым пространством-временем и максимальной гравитацией.
• Горизонт событий — граница, за которой уже нет возврата.
• Фотонная сфера — область, где свет может временно вращаться вокруг чёрной дыры.
• Аккреционный диск — вращающееся кольцо из газа и пыли, излучающее свет.
• Эффект Доплера — изменение яркости света из-за релятивистских скоростей вещества.
• Эргосфера — область вокруг вращающейся чёрной дыры с "завращенным" пространством-временем.
• Джеты — мощные выбросы частиц вдоль оси вращения.

Уточнения

Ква́нтовая гравита́ция - направление исследований в теоретической физике, целью которого является квантовое описание гравитационного взаимодействия (и, в случае успеха, — объединение гравитации с остальными тремя фундаментальными взаимодействиями, описываемыми Стандартной моделью, то есть построение так называемой "теории всего").
 

Чёрная дыра́ — область пространства-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть её не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света, в том числе кванты самого света. Граница этой области называется горизонтом событий.