Исследователи из Мичиганского университета под руководством физика Энрико Ринальди использовали квантовые вычисления и машинное обучение для получения новых представлений о природе черных дыр. Это революционное исследование, опубликованное 3 февраля 2025 года в PRX Quantum, исследует квантовое состояние матричных моделей, продвигая наше понимание физики черных дыр.
Исследование основано на голографическом принципе, предполагающем математическую эквивалентность фундаментальных теорий физики элементарных частиц и гравитации, несмотря на то, что они сформулированы в разных измерениях. Две преобладающие теории описывают черные дыры с помощью различных размерных структур, согласно которым гравитация действует в трехмерном пространстве, в то время как физика элементарных частиц ограничена двумерной поверхностью.
Эта двойственность подчеркивает взаимосвязанный характер обеих моделей, поскольку огромная масса черной дыры искажает пространство-время, создавая гравитационное поле, распространяющееся на три измерения. Это гравитационное воздействие математически коррелирует с перемещением частиц в двух измерениях над черной дырой. Некоторые ученые предполагают, что вся Вселенная может функционировать подобным образом, как голографическая проекция частиц.
Ринальди и его команда исследовали, как квантовые вычисления могут улучшить исследования по голографической дуальности. Их внимание сосредоточено на вычислении энергии основного состояния квантовых матричных моделей, что может помочь разгадать природу этой дуальности. Эти модели представляют теорию элементарных частиц, где математические события в одной системе могут влиять на другую, представляющую гравитацию.
Решая относительно простые матричные модели, которые охватывают характеристики более сложных моделей, используемых для описания черных дыр, исследователи стремятся понять свойства теории частиц, что потенциально может дать представление о гравитации. Ринальди отметил: “Понимание свойств этой теории элементарных частиц с помощью численных экспериментов может кое-что рассказать о гравитации”.
Исследование использует квантовые схемы, представленные в виде проводников, соединенных с кубитами — квантовыми информационными битами — где квантовые операции диктуют поток информации. Ринальди сравнил процесс с музыкой, где каждый шаг трансформирует кубиты в новые формы, в конечном итоге достигая основного состояния.
Благодаря своей работе исследователи смогли определить основное состояние двух матричных моделей, используя как квантовые схемы, так и традиционные методы, несмотря на ограничения текущего оборудования по количеству кубитов. Ринальди подчеркнул, что хотя традиционные методы могут находить энергию основного состояния, они часто не предоставляют полную структуру волновой функции.
Эти открытия представляют собой важный шаг к будущим исследованиям квантовых алгоритмов и применениям машинного обучения для изучения квантовой гравитации через концепцию голографической дуальности. Команда Ринальди планирует расширить свои результаты на более широкие матрицы и оценить, насколько они устойчивы к эффектам шума, которые могут привести к неточностям.