Już w 1973 roku amerykański fizyk teoretyczny John Archibald Wheeler zwięźle ujął istotę ogólnej teorii względności: przestrzeń mówi materii, jak ma się poruszać, a materia mówi przestrzeni, jak ma się zakrzywiać. W ujęciu Einsteina grawitacja nie jest siłą, lecz geometrią – masywny obiekt odkształca tkaninę czasoprzestrzeni niczym kula do kręgli leżąca na materacu, sprawiając, że inne ciała staczają się do powstałego zagłębienia. Choć obraz ten jest niezwykle sugestywny, posiada on krytyczną wadę. Gdy gwiazda umiera i zapada się w czarną dziurę, wspomniany „dołek” przebija materac na wylot, a teoria Einsteina przestaje działać. To właśnie dla takich ekstremalnych przypadków fizycy potrzebowali kwantowej teorii grawitacji, próbując przez dekady zbudować czasoprzestrzeń z czysto kwantowych cząstek w taki sposób, by zachowywała się ona zgodnie z wizją Wheelera.
Przełom nastąpił pod koniec lat 90. dzięki zasadzie holograficznej. Juan Maldacena, Edward Witten i inni badacze wykazali, że cały trójwymiarowy wszechświat można w pełni zakodować w zestawie oddziałujących ze sobą cząstek na jego dwuwymiarowej granicy – dokładnie tak, jak zwykła kartka holograficzna tworzy iluzję głębi na płaskiej powierzchni. Później okazało się, że za geometrię tej przestrzeni odpowiada splątanie kwantowe, pełniąc funkcję tkanki łącznej. Przecięcie „nici” splątania między dwoma obszarami sprawia, że łączący je most (na przykład tunel czasoprzestrzenny) staje się coraz cieńszy, aż w końcu zanika. W ten sposób fizycy wyjaśnili pierwszą część sentencji Wheelera: splątanie tworzy scenę, po której może poruszać się materia. Jednak druga połowa zagadki pozostawała tajemnicą – w tamtych modelach materia nie zakrzywiała przestrzeni. Kula do kręgli leżała na materacu, nie zostawiając w nim najmniejszego śladu.
Niedawno odnaleziono jednak brakujący element układanki. Kilka zespołów badawczych, w tym grupa Charlesa Cao z Virginia Tech, odkryło, że za elastyczność czasoprzestrzeni odpowiada szczególna właściwość mechaniki kwantowej, nazwana „magią” (magic). Parametr ten odzwierciedla rdzennie kwantową naturę układu i pokazuje, jak trudno jest zasymulować jego stan na tradycyjnym komputerze. Sam termin wprowadzili już w 2004 roku fizycy Aleksiej Kitajew i Siergiej Brawij. Według ich teorii „magia” wynika z zastosowania tak zwanych bramek nie-Cliffordowskich – i to właśnie ona zapewnia komputerom kwantowym ich kolosalną przewagę nad klasycznymi maszynami. Cao obrazowo nazywa „magię” „odżywką do tkaniny przestrzeni”. Jak zauważył John Preskill z California Institute of Technology, współautor nowych badań, bez „magii” wszystko staje się zbyt proste – tymczasem kwantowa czasoprzestrzeń ma znacznie bardziej złożoną strukturę.
Aby zrozumieć rolę grawitacji w tym procesie, należy przypomnieć o kwantowych kodach korekcji błędów – tych samych, które chronią delikatne informacje w komputerach kwantowych, „rozpraszając” je na wiele kubitów. Daniel Harlow i inni badacze wykazali około dekady temu, że holografia opiera się na tej samej logice. Jednak starsze kody „stabilizacyjne” sztywno dzieliły splątanie na dwie części – osobną dla przestrzeni i osobną dla materii, przy czym oba te elementy nie mogły na siebie wpływać. Przestrzeń okazywała się idealna, ale jednocześnie bierna i martwa. Rozwiązaniem stał się kod nowej generacji, który Cao, Preskill i ich współpracownicy opracowali w 2026 roku: jest on nasycony bramkami nie-Cliffordowskimi, co czyni go „magicznym”. Ta magia pozwala wreszcie na interakcję między splątaniem przestrzeni a splątaniem materii, dzięki czemu przestrzeń zaczyna uginać się pod wpływem materii. Sam Cao pozostaje ostrożny w swoich ocenach: kod jest na razie bardzo ogólny i nie opisuje ani naszego konkretnego Wszechświata, ani upływu czasu. „To daje nam zalążek grawitacji” – mówi naukowiec. „Jesteśmy obecnie na etapie 0,5 w skali do 5”.
Mimo tak wczesnej fazy badań, wyłania się z nich piękny i zaskakujący obraz. Dwie kluczowe właściwości mechaniki kwantowej – splątanie i magia – precyzyjnie odpowiadają dwóm głównym cechom przestrzeni: jej kształtowi oraz elastyczności. Wynika z tego, że sama przestrzeń jest jedną z najbardziej „kwantowych” rzeczy, jakie można sobie wyobrazić. Co więcej, grawitacja wydaje się rodzić z niedoskonałości kodowania: kody pozbawione magii chronią informacje w sposób idealny, generując przez to bierną przestrzeń pozbawioną grawitacji, podczas gdy prawdziwa grawitacja powstaje właśnie w wyniku wycieku i mieszania się zakodowanych danych. Ciągnąc tę metaforę dalej, owa lekka „niechlujność” kodu jest – jak zażartował fizyk Bartek Czech z Uniwersytetu Tsinghua – prawdziwym powodem, dla którego jabłko Newtona spadło kiedyś na ziemię.
