Фізик Енріко Рінальді і його колеги досліджують голографічну дуальність за допомогою квантових обчислень, щоб з'ясувати це.
Що, якби все навколо нас було просто... голограмою? Справа в тому, що це може бути - і вчені з Мічиганського університету використовують квантові обчислення і машинне навчання, щоб краще зрозуміти ідею, звану голографічною дуальністю.
Голографічна дуальність - це математична гіпотеза, що пов'язує теорії частинок і їх взаємодій з теорією гравітації.
Ця гіпотеза передбачає, що теорія гравітації і теорія частинок математично еквівалентні: те, що математично відбувається в теорії гравітації, відбувається і в теорії частинок, і навпаки.
Обидві теорії описують різні вимірювання, але кількість описаних ними вимірювань відрізняється на одиницю. Отже, всередині форми чорної діри, наприклад, гравітація існує в трьох вимірах, а частинки існує в двох вимірах на її поверхні - плоскому диску.
Щоб уявити це, подумайте ще раз про чорну діру, яка викривляє простір-час через свою величезну масу.
Гравітація чорної діри, яка існує в трьох вимірах, математично пов'язана з частинками, що «танцюють» над нею в двох вимірах. Отже, чорна діра існує в тривимірному просторі, але ми бачимо її проектованою через частинки.
Деякі вчені припускають, що весь наш всесвіт - це голографічна проекція частинок, і це може призвести до послідовної квантової теорії гравітації.
"У загальній теорії відносності Ейнштейна немає частинок - є тільки простір-час. А в Стандартній моделі фізики елементарних частинок немає гравітації, є тільки частинки ", - сказав Енріко Рінальді, автор дослідження. "З" єднання двох різних теорій - давня проблема у фізиці, яку люди намагаються вирішити з минулого століття ".
У дослідженні, опублікованому в журналі PRX Quantum, він і його колеги досліджують, як досліджувати голографічну дуальність за допомогою квантових обчислень і глибокого навчання, щоб знайти стан з найменшою енергією математичних завдань, званих моделями квантової матриці.
Ці квантово-матричні моделі є уявленнями теорії частинок. Оскільки голографічна дуальність передбачає, що те, що математично відбувається в системі, що представляє теорію частинок, аналогічним чином вплине на систему, що представляє гравітацію, рішення такої моделі квантової матриці може дати інформацію про гравітацію.
Для дослідження Рінальді і його команда використовували дві матричні моделі, досить прості для вирішення за допомогою традиційних методів, але володіють усіма характеристиками більш складних матричних моделей, що використовуються для опису чорних дір через голографічну подвійність.
«Ми сподіваємося, що, зрозумівши властивості цієї теорії частинок за допомогою численних експериментів, ми дещо зрозуміємо про гравітацію», - сказав Рінальді. "На жаль, як і раніше нелегко вирішити теорії частинок. І в цьому нам можуть допомогти комп'ютери ".
Ці матричні моделі представляють собою блоки чисел, які представляють об'єкти в теорії струн, яка є структурою, в якій частинки в теорії частинок представлені одномірними струнами. Коли дослідники вирішують такі матричні моделі, вони намагаються знайти конкретну конфігурацію частинок в системі, яка представляє стан системи з найнижчою енергією, званий основним станом. В основному стані з системою нічого не відбувається, якщо ви не додасте до неї щось, що обурює її.
«Дуже важливо зрозуміти, як виглядає цей основний стан, тому що тоді ви зможете створювати з нього щось», - сказав Рінальді. "Тому для матеріалу знання основного стану схоже на знання, наприклад, чи є він провідником, чи надпровідником. Але знайти цей основний стан серед усіх можливих станів - досить складне завдання. Ось чому ми використовуємо ці численні методи ".
Ви можете думати про числа в матричних моделях як про піщинки, каже Рінальді. Коли пісок рівний, це основний стан моделі. Але якщо на піску є ряб, ви повинні знайти спосіб їх вирівняти. Щоб вирішити цю проблему, дослідники спочатку звернулися до квантових схем. У цьому методі квантові схеми представлені проводами, і кожен кубіт або біт квантової інформації є проводом. Поверх проводів розташовані ворота, що представляють собою квантові операції, що визначають, як інформація буде передаватися по проводах.
«Ви можете читати їх як музику, рухаючись зліва направо», - сказав Рінальді. "Якщо ви читаєте це як музику, ви фактично перетворюєте кубіти з самого початку на щось нове з кожним кроком. Але ви не знаєте, які операції ви повинні робити по ходу справи, які ноти грати. Процес струсу налаштує всі ці ворота, щоб вони прийняли правильну форму, щоб в кінці всього процесу ви досягли основного стану. Отже, у вас є вся ця музика, і якщо ви граєте її правильно, в кінці у вас буде основний стан ".
Потім дослідники захотіли порівняти використання цього методу квантової схеми з використанням методу глибокого навчання. Глибоке навчання - це вид машинного навчання, в якому використовується нейросетевий підхід - ряд алгоритмів, які намагаються знайти взаємозв'язки в даних, подібно до того, як працює людський мозок.
Нейронні мережі використовуються для розробки програмного забезпечення для розпізнавання осіб, отримуючи тисячі зображень осіб, з яких вони витягують певні орієнтири обличчя, щоб розпізнавати окремі зображення або створювати нові обличчя людей, яких не існує.
У дослідженні вчені визначали математичний опис квантового стану своєї матричної моделі, званий квантовою хвильовою функцією. Потім вони використовували спеціальну нейронну мережу, щоб знайти хвильову функцію матриці з мінімально можливою енергією - її основний стан. Числа нейронної мережі проходять ітеративний процес «оптимізації», щоб знайти основний стан матричної моделі, «постукуючи по піску», щоб всі його піщинки вирівнялися.
В обох підходах дослідники змогли знайти основний стан обох матричних моделей, які вони досліджували, але квантові схеми обмежені невеликою кількістю кубітів. Сучасне квантове обладнання може обробляти тільки кілька десятків кубітів: додавання рядків до вашого нотного аркуша стає дорогим, і чим більше ви додаєте, тим менш точно ви можете грати музику.
«Інші методи, які зазвичай використовують люди, можуть знайти енергію основного стану, але не всю структуру хвильової функції», - сказав Рінальді. "Ми показали, як отримати повну інформацію про основний стан, використовуючи ці нові технології, квантові комп'ютери і глибоке навчання.
"Оскільки ці матриці є одним з можливих уявлень для особливого типу чорної діри, якщо ми знаємо, як влаштовані матриці і які їх властивості, ми можемо дізнатися, наприклад, як чорна діра виглядає всередині. Що знаходиться на горизонті подій для чорної діри? Звідки це? Відповідь на ці питання була б кроком до реалізації квантової теорії гравітації ".
Результати, за словами вчених, показують важливий орієнтир для майбутньої роботи над алгоритмами квантового і машинного навчання, які дослідники можуть використовувати для вивчення квантової гравітації за допомогою ідеї голографічної дуальності.
Дослідження було опубліковано в PRX Quantum. “Matrix-Model Simulations Using Quantum Computing, Deep Learning, and Lattice Monte Carlo” by Enrico Rinaldi, Xizhi Han, Mohammad Hassan, Yuan Feng, Franco Nori, Michael McGuigan and Masanori Hanada.
