XRISM обнаружил неожиданный «космический туман», исходящий от нейтронной звезды — прорыв в астрофизике
NASA только что обнаружил загадочный межзвёздный объект на небе Марса
Астронавт Дон Петтит делится захватывающим видом пояса Венеры из космоса.
В прорывном исследовании, опубликованном в PRX Quantum, учёные под руководством Энрико Ринальди использовали квантовые вычисления и искусственный интеллект для моделирования квантовой структуры, скрытой внутри чёрных дыр.
Впервые эта технология позволила учёным заглянуть в сердце этих космических загадок, не пересекая горизонт событий. Их инновационный подход — значительный шаг к преодолению разрыва между двумя фундаментальными теориями физики: общей теорией относительности и квантовой механикой.
Преодолевая разрыв: общая теория относительности и квантовая механика
Физики давно пытаются согласовать законы общей теории относительности, описывающие крупномасштабное поведение гравитации, с квантовой теорией поля, управляющей микроскопическим поведением частиц. Эти два столпа современной физики, успешные в своих областях, кажутся фундаментально несовместимыми. Как отмечает Энрико Ринальди:
«В общей теории относительности Эйнштейна существует пространство-время, но нет частиц. В Стандартной модели есть частицы, но нет гравитации».
Этот раскол десятилетиями озадачивал учёных, препятствуя разработке единой теории квантовой гравитации. Однако исследование под руководством Ринальди делает значительный шаг к преодолению этого разрыва, используя голографический принцип — теорию, предполагающую, что гравитационные системы в трёх измерениях могут быть сопоставлены с более простыми квантовыми системами в двух измерениях. Этот инновационный подход даёт новую надежду на объединение этих несовместимых концепций.
Матричные модели: окно в чёрные дыры
В основе этого исследования лежит использование матричных моделей, математических конструкций, полученных из теории струн. Эти модели описывают фундаментальные частицы не как точечные объекты, а как крошечные вибрирующие струны. Применительно к чёрным дырам матричные модели представляют собой плотное скопление струн, образующих структуру этих космических объектов. Решение этих моделей имеет решающее значение для понимания чёрных дыр на фундаментальном уровне. Однако сделать это напрямую — сложная задача.
Чтобы решить эту задачу, исследователи обратились к квантовым вычислениям. Используя квантовые схемы и нейронные сети, они протестировали алгоритмы на упрощённых версиях этих моделей, которые сохранили основные свойства чёрных дыр. Это позволило им найти «основное состояние» системы — её конфигурацию с наименьшей энергией, которая, как считается, кодирует саму природу пространства-времени. Как объясняет Ринальди:
«Важно понять, как выглядит это основное состояние, потому что тогда вы можете создавать из него что-то. Для материала знание основного состояния — это как знать, например, является ли он проводником, сверхпроводником, прочным или слабым».
Квантовые вычисления: сочиняя музыку Вселенной
Использование квантовых алгоритмов для моделирования этих моделей — непростая задача. Этот процесс можно сравнить с сочинением симфонии. Каждый кубит в квантовой схеме соответствует проводу, а квантовые вентили действуют как музыкальные ноты, изменяя состояние системы структурированными шагами. Однако, в отличие от традиционной музыки, эта «квантовая симфония» развивается непредсказуемо, требуя тщательной оптимизации для обеспечения правильной последовательности операций.
«Вы можете читать их как музыку, двигаясь слева направо, — говорит Ринальди. — Если вы читаете это как музыку, вы по сути преобразуете кубиты с самого начала в нечто новое на каждом шаге. Но вы не знаете, какие операции вам следует выполнять, какие ноты играть. Процесс встряски настраивает все эти вентили, чтобы они приняли правильную форму, чтобы в конце всего процесса вы достигли основного состояния. Таким образом, у вас есть вся эта музыка, и если вы сыграете её правильно, в конце вы получите основное состояние».
В этой аналогии «процесс встряски» относится к итеративному характеру квантового алгоритма, который настраивает вентили для достижения наиболее стабильной конфигурации системы. В результате получается мощное моделирование, которое приближает нас к пониманию чёрных дыр, гравитации и самой структуры пространства-времени.