La verità su wormhole e computer quantistici

Il sogno fantascientifico di un wormhole attraversabile non è più vicino alla realtà, nonostante la suggestiva simulazione di un computer quantistico

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La verità su wormhole e computer quantistici
La verità su wormhole e computer quantistici

Il 30 novembre 2022, è stato pubblicato un articolo su Nature che affermava che un wormhole era stato simulato su un computer quantistico, affermando che le caratteristiche osservate potevano essere collegate a wormhole reali e attraversabili che potevano esistere all’interno del nostro Universo. Ci sono tre parti in questa storia:

  1. la fisica dei wormhole all’interno della Relatività Generale,
  2. la simulazione reale condotta su un computer quantistico,
  3. e il legame tra il nostro Universo reale e il calcolo quantistico,

e dobbiamo ottenere tutte e tre le parti corrette se vogliamo separare ciò che è vero dalle affermazioni speculative e non supportate che molti – inclusi alcuni degli autori dello studio – hanno fatto pubblicamente. Immergiamoci in tutti e tre.

Un wormhole è l’unico modo, nel contesto della Relatività Generale, in cui può avvenire il trasporto immediato tra due eventi disparati e disconnessi nello spaziotempo. Questi “ponti” solo sono curiosità matematiche in questo momento; nessun wormhole fisico è mai stato scoperto esistere o è mai stato creato. ( Crediti : vchalup/Adobe Stock)

La fisica dei wormhole

L’idea di un wormhole è nata poco dopo la scoperta della prima soluzione esatta e non banale della Relatività Generale: la soluzione di Schwarzschild, corrispondente a un buco nero non rotante.

Per ottenere questa soluzione, tutto ciò che devi fare è prendere uno spazio completamente piatto e vuoto e posizionare un oggetto di volume infinitesimale ma di massa finita. Ovunque lo collochi, avrai un buco nero di una certa massa, circondato da un orizzonte degli eventi di un raggio specifico determinato da quella massa.

Einstein finì di formulare la Relatività Generale verso la fine dell’anno nel 1915, e all’inizio del 1916 Karl Schwarzschild pubblicò questa prima, straordinaria soluzione che è ancora rilevante e ampiamente utilizzata oggi.



È stato realizzato da un certo numero di persone, indipendentemente l’una dall’altra, che se si fosse in grado di collegare un buco nero di Schwarzschild (con una massa positiva) in un punto dell’Universo alla sua controparte di massa/energia negativa in un altro luogo, si potrebbero teoricamente “collegare” queste due posizioni. Quel ponte, nel linguaggio moderno, è ora noto come wormhole. Originariamente, questa soluzione teorica fu trovata da Flamm nel 1916, poi di nuovo da Weyl nel 1928, e ancora una volta da Einstein e Nathan Rosen nel 1935.

Viaggiare attraverso un wormhole è un’idea affascinante, ma ci sono molti ostacoli alla creazione di un wormhole nel nostro Universo reale. A meno che non esistano materia esotica, energia negativa, dimensioni extra o entità fantasiose simili, anche i wormhole non attraversabili sono proibiti. Se possono esistere wormhole attraversabili, bisogna comunque fare i conti con effetti come la dilatazione del tempo e forze di marea estreme per evitare di distruggere la materia all’interno. ( Credito : Les Bossinas/NASA/Glenn Research Center)

Conosciuti anche come ponti di Einstein-Rosen, questo primo lavoro teorico ha aperto la strada alla nostra moderna comprensione dei wormhole nel contesto della Relatività Generale. Sebbene questi primi wormhole avessero una patologia, nel senso che avrebbero fatto a pezzi e distrutto qualsiasi materia che avesse osato entrarvi, sono state proposte numerose estensioni per aiutare a “tenere aperti questi wormhole” mentre la materia tentava di passare attraverso esso. Generalmente ci riferiamo a questa specie di wormhole come a un wormhole attraversabile, e la maggior parte dei wormhole che incontriamo nella fantascienza sono proprio di questo tipo.

Se i wormhole possano esistere fisicamente o meno è una questione ancora oggetto di accesi dibattiti. Sì, possiamo scrivere matematicamente soluzioni alle equazioni di Einstein che le includono, ma la matematica non è la stessa cosa della fisica. La matematica ti dice cosa c’è nel regno delle possibilità fisiche, ma solo l’universo reale stesso ti rivelerà ciò che è fisicamente vero. I posti in cui cercheremmo tali prove fisiche finora sono risultati tutti vuoti.

  • Abbiamo osservato veri buchi neri; non ci sono segnali da loro che suggeriscano che siano wormhole.
  • Abbiamo osservato molti sistemi con energia positiva; non esistono però sistemi con energia intrinsecamente negativa.
  • E abbiamo osservato molti sistemi che possiedono tre o meno dimensioni spaziali; c’è ancora uno straccio di prova per una quarta (o superiore) dimensione spaziale.
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Se un wormhole attraversabile dovesse collegare l’Università di Tubinga con le dune di sabbia nel nord della Francia, qualcuno che scruta nel wormhole potrebbe essere in grado di vedere la posizione lontana attraverso il wormhole stesso. Una tale struttura non è stata ancora trovata nel nostro Universo. ( Credito : CorvinZahn/Wikimedia Commons)

Il grosso rompicapo per il nostro Universo, per quanto ne sappiamo oggi, sembra essere la mancanza di quella che si potrebbe chiamare materia “esotica”. Il modo più semplice di guardare la situazione è pensare allo spazio come avente una densità media di energia da tutte le fonti: materia, radiazione e persino l’energia di punto zero (positiva, diversa da zero) dello spazio vuoto stesso. Dove hai energia positiva, lo spazio si curva in risposta a ciò; ecco perché le particelle massicce esibiscono il fenomeno dell’attrazione gravitazionale. Finora, tutto ciò che abbiamo mai rilevato nell’Universo è materia ed energia con valori positivi.

Ma se vuoi avere un wormhole attraversabile, hai bisogno di qualche tipo di materia e/o energia che abbia un valore negativo, almeno negativo rispetto alla densità energetica media dell’Universo. Anche se possiamo creare piccole regioni di spazio che hanno questa proprietà – per esempio, lo spazio vuoto tra due lastre conduttrici parallele, come una configurazione che esibisce l’effetto Casimir – non ci sono specie di quanti di energia negativa noti per esistere.

Se davvero non esistono affatto, dimensioni spaziali extra, campi extra o una sorta di ponte su scala Planck (forse solo consentendo il trasferimento di informazioni, non importa) sono gli unici modi in cui i wormhole potrebbero sorgere fisicamente all’interno della Relatività Generale .

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Questa immagine mostra il processore per computer quantistico Sycamore di Google. Sebbene l’architettura sia variata tra contenere 50 e 70 qubit, solo 9 qubit sono stati sfruttati nel lavoro del 2022 che affermava di aver simulato un wormhole. Ciò che è stato realizzato è stato sicuramente interessante, ma l’analogia del wormhole è estremamente limitata e fuorviante in molti modi. ( Credito : Google)

La simulazione quantistica

Nel loro recente articolo, ciò che gli autori hanno creato non era un vero wormhole in sé, ma piuttosto un circuito quantistico che possiede alcuni comportamenti e proprietà analoghi a un wormhole gravitazionale. Questo si basa su lavori precedenti, alcuni dei quali devono essere raccontati per comprendere l’importanza di quest’ultimo lavoro.

In precedenza, alcuni membri di questo team avevano inventato uno scenario in cui un impulso di energia negativa veniva trasmesso tra due punti topologicamente connessi, e quell’impulso veniva utilizzato ai fini del teletrasporto quantistico: per trasferire lo stato quantistico da un “lato” dei due punti collegati tra loro.

Questa è un’applicazione interessante, ma è difficile vedere come sia collegata ai wormhole e alla gravità. L’unico suggerimento di una connessione – ed è importante sottolineare che è solo un suggerimento – è che nel 2013, Juan Maldacena e Leonard Susskind hanno ipotizzato che un wormhole, o un ponte di Einstein-Rosen, sia equivalente a una coppia di buchi neri con il massimo entanglement. Questa connessione è talvolta indicata come ER = EPR, per notare che un wormhole (o ponte di Einstein-Rosen) è collegato all’entanglement quantistico, poiché il primo articolo sull’entanglement è stato scritto da EPR: Einstein, Boris Podolsky e Rosen.

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L’idea che due quanti possano essere istantaneamente intrecciati l’uno con l’altro, anche a grandi distanze, viene spesso definita la parte più spaventosa della fisica quantistica. Se la realtà fosse fondamentalmente deterministica e fosse governata da variabili nascoste, questa inquietudine potrebbe essere rimossa. Sfortunatamente, i tentativi di eliminare questo tipo di stranezza quantistica sono tutti falliti, con congetture come la corrispondenza AdS/CFT, che potrebbero coinvolgere una realtà oggettiva sottostante, che richiedono tutte qualcosa di esotico e non provato, come l’invocazione di dimensioni extra. ( Credito : Alan Stonebraker/American Physical Society)

Sappiamo che l’intero sistema fisico è troppo difficile e complesso per essere simulato con qualsiasi tipo di robusta accuratezza, quindi gli autori hanno fatto quello che fanno praticamente tutti i fisici teorici: hanno modellato un’approssimazione più semplice dell’intero problema, con l’idea che simulando una semplice approssimazione, molte delle proprietà chiave di quello che sarebbe un “vero wormhole” persisterebbero ancora. In parte a causa dei limiti di ciò che possiamo effettivamente simulare con la tecnologia attuale, e in parte a causa di quanto siano limitati gli esseri umani in termini di qualità dei modelli che possiamo creare, l’apprendimento automatico è stato utilizzato per progettare la configurazione sperimentale. Secondo Maria Spiropulu del Caltech, coautrice dell’articolo:

“Abbiamo impiegato tecniche di apprendimento per trovare e preparare un semplice sistema quantistico [analogico] che potesse essere codificato nelle attuali architetture quantistiche e che preservasse le proprietà [necessarie]… abbiamo semplificato la descrizione microscopica del sistema quantistico [analogico] e studiato il modello effettivo risultante che abbiamo trovato sul processore quantistico”.

E ciò che l’esperimento ha mostrato è che, ancora una volta, proprio come nell’esperimento precedente, l’informazione quantistica viaggiava da un sistema quantistico all’altro: un altro esempio di teletrasporto quantistico.

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Molte reti quantistiche basate sull’entanglement in tutto il mondo, comprese le reti che si estendono nello spazio, sono in fase di sviluppo per sfruttare i fenomeni spettrali del teletrasporto quantistico, dei ripetitori e delle reti quantistiche e altri aspetti pratici dell’entanglement quantistico. Lo stato quantistico viene “tagliato e incollato” da una posizione all’altra, ma non può essere clonato, copiato o “spostato” senza distruggere lo stato originale. ( Credito : SA Hamilton et al., 70° Congresso Astronautico Internazionale, 2019)

Il legame tra l’Universo reale e questa simulazione di “wormhole quantistico”

Perché dovremmo preoccuparci di questo lavoro e cosa ci insegna, se non altro, sulla connessione tra i wormhole e i tipi di simulazioni che un computer quantistico può fare?

La rivista Quanta, normalmente sobria, ha fornito un resoconto accurato e approfondito della simulazione eseguita sul computer quantistico, ma su questo fronte ha perso completamente la tramontana, come molti altri si sono affrettati sottolineare correttamente.

Prima di tutto, l’uso di un computer quantistico non ci ha insegnato nulla che non potessimo imparare (e che non sapessimo già in anticipo!) dall’uso di computer classici e calcoli manuali. In effetti, l’unica novità che è stata realizzata da questo team di ricercatori – un mix di specialisti di calcolo quantistico e fisici teorici – è stata la capacità di utilizzare l’apprendimento automatico per semplificare con successo un problema precedentemente complesso in uno che potesse essere simulato utilizzando solo un piccolo numero di qubit su un computer quantistico. È un risultato tecnico impressionante, che merita di essere celebrato per quello che è.

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La corrispondenza AdS/CFT è l’esempio più noto del principio olografico, che rivendica una corrispondenza fisica tra il volume interno di una regione dello spazio e le proprietà trovate sulla superficie che delimita quello spazio. Altri esempi forniscono campi da gioco matematici che hanno una certa rilevanza fisica, ma queste analogie sono fondamentalmente limitate dall’accuratezza con cui descrivono i sistemi che stanno modellando. ( Credito : APS/Alan Stonebreaker)

Ma invece, molti stanno celebrando questo risultato per quello che non è: la prova che i wormhole hanno una qualche rilevanza per il nostro Universo fisico e/o la prova che questa simulazione quantistica fornisce una finestra su come i wormhole si comporterebbero effettivamente nel nostro Universo.

Ecco alcune cose vere che dovresti sapere su ciò che la ricerca appena pubblicizzata ha effettivamente fatto (e non ha fatto).

Ha usato solo 9 qubit nella simulazione. 9 qubit significa che la funzione d’onda quantistica codificata potrebbe richiedere al massimo 512 (perché 2⁹ = 512) numeri complessi per descriverla, che è una funzione d’onda abbastanza semplice da poter essere facilmente simulata su un computer classico. In effetti, è stato simulato su un computer classico da questi stessi ricercatori prima della simulazione che hanno eseguito sul loro computer quantistico! (Con risultati identici ai limiti degli errori quantistici che derivano dai processi di calcolo quantistico nel 2022).

In altre parole, non è stato appreso nulla dall’esecuzione di questa simulazione su un computer quantistico oltre ai comportamenti che si aspettavano di vedere persistiti anche in questa semplice simulazione a 9 qubit. Sebbene ciò sia di buon auspicio per future simulazioni sulla stessa linea, non fornisce alcuna intuizione profonda e fondamentale oltre a mostrare un certo potenziale per i computer quantistici.

Questa rappresentazione di un processore Sycamore montato in un criostato superconduttore illustra l’aspetto attuale del computer quantistico di Google. Sebbene i qubit offrano qualche vantaggio computazionale rispetto ai computer classici, non c’è nulla che possa essere simulato fondamentalmente su un computer quantistico che non possa essere simulato anche su uno classico. ( Crediti : Forest Stearns, Google AI Quantum Artist in Residence)

E per quanto riguarda la connessione ai wormhole? Sai, wormhole basati sulla gravità all’interno della Relatività Generale che potrebbero effettivamente applicarsi al nostro Universo fisico reale?

È il più speculativo possibile. In primo luogo, presuppone che il principio olografico – che afferma che tutte le proprietà fisiche all’interno di un volume di spazio possono essere codificate su un confine dimensionale inferiore di quello spazio – sia, in effetti, una proprietà della teoria quantistica della gravità ancora da scoprire. In secondo luogo, invece di usare la corrispondenza AdS/CFT, che è l’equivalenza matematica stabilita tra uno spazio 5D anti-de Sitter e la teoria del campo conforme 4D che definisce il confine di quello spazio, usano la suggestiva corrispondenza tra lo spazio Sachdev-Ye- Modello di Kitaev e uno spazio bidimensionale anti-de Sitter.

Ciò significa che modellano la gravità nel “nostro Universo” come avente una dimensione temporale, una dimensione spaziale e una costante cosmologica negativa, e poi prendono quella che potrebbe essere una descrizione matematicamente equivalente (il Sachdev-Ye- modello di Kitaev) e l’hanno invece simulato. Alcune delle proprietà che hanno osservato erano analoghe ad alcuni dei comportamenti che un wormhole attraversabile dovrebbe esibire, ma questo non fornisce informazioni su come un wormhole attraversabile nel nostro Universo reale, governato dalla Relatività Generale (in tre dimensioni spaziali e una temporale con un costante cosmologica positiva), si comporterebbe.

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Se vuoi simulare un wormhole così come potrebbe effettivamente esistere nel nostro Universo, la tua simulazione o sistema analogico deve dimostrare di giocare secondo le stesse regole con cui gioca il nostro Universo. Se giocano secondo regole diverse, non ci si può aspettare che il comportamento osservato sia analogo a ciò che accade nel nostro Universo. (Credito: yongqiang tramite Adobe Stock)

Non ci sono lezioni da imparare sulla gravità quantistica qui. Non ci sono lezioni da imparare sui wormhole attraversabili o sulla loro esistenza nel nostro Universo. Non ci sono nemmeno lezioni da apprendere sull’unicità o sulle capacità dei computer quantistici, poiché tutto ciò che è stato fatto sul computer quantistico può essere fatto ed è stato fatto in precedenza (senza errori) su un computer classico. Il meglio che si può ricavare è che i ricercatori, dopo aver eseguito calcoli elaborati del modello Sachdev-Ye-Kitaev con mezzi classici, sono stati in grado di eseguire un calcolo analogo su un computer quantistico che in realtà ha restituito un segnale, non semplicemente rumore quantico.

Ma è ora di diventare pragmatici. Se vuoi studiare qualcosa di rilevante per il nostro Universo, usa un framework a cui il nostro Universo è effettivamente analogo. Se stai solo realizzando un sistema analogico, sii onesto sui limiti dell’analogico e del sistema; non fingere che sia la stessa cosa che stai semplificando eccessivamente. E non condurre le persone lungo il sentiero del pio desiderio; questa ricerca non porterà mai alla creazione di un vero wormhole, né suggerisce che “i wormhole esistano” più di quanto gli esperimenti spin-ice suggeriscono che “esistono monopoli magnetici “.

I wormhole e i computer quantistici probabilmente rimarranno entrambi argomenti incredibilmente interessanti per i fisici, e probabilmente continueranno ulteriori ricerche sul modello Sachdev-Ye-Kitaev. Ma la connessione tra wormhole e computer quantistici è praticamente inesistente e questa ricerca, nonostante il clamore, non cambia assolutamente nulla di questo fatto.

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