• Começa com um estrondo

A verdade sobre buracos de minhoca e computadores quânticos

O sonho de ficção científica de um buraco de minhoca atravessável não está nem perto da realidade, apesar da simulação sugestiva de um computador quântico.

Principais conclusões

• A noção de um buraco de minhoca sugere que duas regiões bem separadas do espaço podem ser conectadas por meio de uma ponte, permitindo viagens instantâneas de informações ou até mesmo matéria de um local para outro.
• Se isso é possível ou não em nosso Universo depende da existência e estabilidade de massa/energia negativa no contexto de nossa teoria da gravitação: Relatividade Geral.
• Algo interessante pode ter sido simulado recentemente em um computador quântico, mas existe realmente uma conexão com buracos de minhoca? Obtenha a verdade real em vez do hype.

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Deve haver uma pergunta que você deve fazer a si mesmo sempre que encontrar uma afirmação que pode ser respondida pela ciência: “O que é verdade?” Somente olhando para a resposta a essa pergunta – e, em particular, o que pode ser e foi estabelecido como cientificamente verdadeiro pelo conjunto completo de evidências disponíveis – você pode tirar uma conclusão responsável. Se olharmos para qualquer outra coisa, incluindo o que esperamos, o que tememos ou as especulações sem fundamento que não podem ser descartadas, é praticamente garantido que nos desviaremos. Afinal, se a evidência não é suficiente para convencer aqueles com conhecimento especializado, também deve ser insuficiente para o resto de nós.

Em 30 de novembro de 2022, um artigo foi publicado na Nature que afirmava que um buraco de minhoca foi simulado em um computador quântico, alegando que as características observadas poderiam estar ligadas a buracos de minhoca reais e atravessáveis ​​que poderiam existir em nosso próprio Universo. Há três partes nesta história:

1. a física dos buracos de minhoca dentro da Relatividade Geral,
2. a simulação real conduzida em um computador quântico,
3. e a ligação entre o nosso Universo real e a computação quântica,

e temos que acertar todas as três partes se quisermos separar o que é verdade das afirmações especulativas e sem fundamento que muitos - incluindo alguns dos autores do estudo - têm feito publicamente. Vamos mergulhar em todos os três.

Um buraco de minhoca é a única maneira, no contexto da Relatividade Geral, de ocorrer o transporte imediato entre dois eventos díspares e desconectados no espaço-tempo. Essas “pontes” são curiosidades matemáticas apenas neste momento; nenhum buraco de minhoca físico jamais foi encontrado ou criado.

A física dos buracos de minhoca

A ideia de um buraco de minhoca nasceu logo após a descoberta da primeira solução exata e não trivial da Relatividade Geral: a solução de Schwarzschild, correspondente a um buraco negro não rotativo. Para obter esta solução, tudo o que você precisa fazer é pegar um espaço completamente plano e vazio e colocar um objeto de volume infinitesimal, mas massa finita. Onde quer que você coloque isso, você terá um buraco negro de uma certa massa, cercado por um horizonte de eventos de um raio específico determinado por essa massa. Einstein terminou de formular a Relatividade Geral no final do ano de 1915 e, no início de 1916, Karl Schwarzschild publicou esta solução notável que ainda é relevante e amplamente utilizada hoje.

Foi percebido por várias pessoas - independentemente umas das outras - que se você fosse capaz de conectar um buraco negro de Schwarzschild (com uma massa positiva) em um local do Universo à sua contraparte de massa/energia negativa em outro local, você poderia teoricamente 'ponte' esses dois locais. Essa ponte, na linguagem moderna, agora é conhecida como buraco de minhoca. Originalmente, esta solução teórica foi encontrada por Flamm em 1916, depois novamente por Weyl em 1928, e mais uma vez por Einstein e Nathan Rosen em 1935.

Viajar por um buraco de minhoca é uma proposta fascinante, mas existem muitas barreiras para criar um em nosso Universo atual. A menos que exista matéria exótica, energia negativa, dimensões extras ou algumas entidades fantasiosas semelhantes, até mesmo buracos de minhoca não atravessáveis ​​são proibidos. Se buracos de minhoca atravessáveis ​​podem existir, efeitos como dilatação do tempo e forças de maré extremas ainda devem ser considerados para evitar a destruição da matéria dentro.

Também conhecidas como pontes de Einstein-Rosen, esse trabalho teórico inicial abriu caminho para nossa compreensão moderna dos buracos de minhoca dentro do contexto da Relatividade Geral. Embora esses primeiros buracos de minhoca tivessem uma patologia no sentido de que rasgariam e destruiriam qualquer matéria que ousasse entrar neles, várias extensões foram propostas para ajudar a “manter esses buracos de minhoca abertos” à medida que a matéria tentava passar. através dele. Geralmente nos referimos a essa espécie de buraco de minhoca como um buraco de minhoca atravessável, e a maioria dos buracos de minhoca que encontramos na ficção científica são exatamente desse tipo.

Se os buracos de minhoca podem ou não existir fisicamente ou não, é uma questão que ainda é muito debatida. Sim, podemos escrever matematicamente soluções para as equações de Einstein que as incluam, mas a matemática não é o mesmo que a física. A matemática diz a você o que está dentro do reino da possibilidade física, mas apenas o próprio Universo real e real revelará a você o que é fisicamente verdadeiro. Os lugares onde procuraríamos por tais evidências físicas estão todos vazios até agora.

• Observamos buracos negros reais; não há sinais deles sugerindo que sejam buracos de minhoca.
• Observamos muitos sistemas com energia positiva; não há sistemas com energia intrinsecamente negativa.
• E observamos muitos sistemas que possuem três ou menos dimensões espaciais; ainda não há um fragmento de evidência para uma quarta (ou superior) dimensão espacial.

Se um buraco de minhoca atravessável conectasse a Universidade de Tübingen com as dunas de areia no norte da França, alguém que olhasse para dentro do buraco de minhoca poderia ver o local distante através do próprio buraco de minhoca. Tal estrutura ainda não foi encontrada em nosso Universo.

O grande obstáculo para o nosso Universo, até onde sabemos hoje, parece ser a falta do que se pode chamar de matéria “exótica”. A maneira mais simples de ver a situação é pensar no espaço como tendo uma densidade média de energia de todas as fontes: matéria, radiação e até mesmo a energia do ponto zero (positivo, diferente de zero) do próprio espaço vazio. Onde você tem energia positiva, o espaço se curva em resposta a isso; é por isso que as partículas massivas exibem o fenômeno da atração gravitacional. Até agora, tudo o que detectamos no Universo é matéria e energia com valores positivos.

Mas se você deseja ter um buraco de minhoca atravessável, precisa de algum tipo de matéria e/ou energia que tenha um valor negativo, pelo menos negativo em relação à densidade média de energia do Universo. Embora possamos criar pequenas regiões do espaço que tenham essa propriedade - por exemplo, o espaço vazio entre duas placas condutoras paralelas, como uma configuração exibindo o efeito Casimir - não existem espécies de quanta de energia negativa conhecidas.

Se eles realmente não existem, dimensões espaciais extras, campos extras ou algum tipo de ponte em escala de Planck (talvez apenas permitindo a transferência de informações, não importa) são as únicas maneiras pelas quais os buracos de minhoca poderiam surgir fisicamente dentro da Relatividade Geral.

Esta imagem mostra o processador de computador quântico Sycamore do Google. Embora a arquitetura tenha variado entre manter 50 e poucos qubits e 70 e poucos qubits, apenas 9 qubits foram aproveitados no trabalho de 2022 que afirmava ter simulado um buraco de minhoca. O que foi realizado foi interessante, com certeza, mas a analogia do buraco de minhoca é extremamente limitada e enganosa em muitos aspectos.

A simulação quântica

Dentro seu papel recente , o que os autores criaram não foi um buraco de minhoca real, mas sim um circuito quântico que possui alguns comportamentos e propriedades análogos a um buraco de minhoca gravitacional. Isso se baseia em trabalhos anteriores, alguns dos quais precisam ser recontados para entender a importância deste trabalho mais recente.

Anteriormente, alguns membros dessa equipe haviam inventado um cenário em que um pulso de energia negativa era transmitido entre dois pontos topologicamente conectados, e esse pulso era usado para fins de teletransporte quântico: para transferir o estado quântico de um “lado” dos dois pontos conectados para o outro.

Este é um aplicativo interessante, mas é difícil ver como ele está conectado aos buracos de minhoca e à gravidade. A única sugestão de ligação — e é importante ressaltar que é apenas uma sugestão — é que em 2013, Juan Maldacena e Leonard Susskind conjecturaram que um buraco de minhoca, ou uma ponte Einstein-Rosen, é equivalente a um par de buracos negros maximamente emaranhados. Essa conexão às vezes é chamada de ER = EPR , para observar que um buraco de minhoca (ou ponte Einstein-Rosen) está conectado ao emaranhamento quântico, já que o primeiro artigo sobre emaranhamento foi de autoria de EPR: Einstein, Boris Podolsky e Rosen.

A ideia de que dois quanta podem ser instantaneamente emaranhados um no outro, mesmo através de grandes distâncias, costuma ser considerada a parte mais assustadora da física quântica. Se a realidade fosse fundamentalmente determinística e governada por variáveis ​​ocultas, esse fantasmagórico poderia ser removido. Infelizmente, todas as tentativas de acabar com esse tipo de estranheza quântica falharam, com conjecturas como a correspondência AdS/CFT, que poderia envolver uma realidade objetiva subjacente, todas exigindo algo exótico e não comprovado, como a invocação de dimensões extras.

Sabemos que o sistema físico completo é muito difícil e complexo para simular com qualquer tipo de precisão robusta, então os autores fizeram o que praticamente todos os físicos teóricos fazem: eles modelaram uma aproximação mais simples do problema completo, com a ideia de que, ao simular o simples aproximação, muitas das propriedades-chave do que seria um “verdadeiro buraco de minhoca” ainda persistiriam. Parcialmente por causa das limitações do que podemos realmente simular com a tecnologia atual e parcialmente por causa da limitação dos seres humanos em termos de qualidade dos modelos que podemos criar, o aprendizado de máquina foi usado para projetar a configuração experimental. De acordo com Maria Spiropoulou do Caltech , coautor deste artigo:

“Empregamos técnicas de aprendizado para encontrar e preparar um sistema quântico [analógico] simples que pudesse ser codificado nas arquiteturas quânticas atuais e que preservasse as propriedades [necessárias]… modelo eficaz resultante que encontramos no processador quântico”.

O experimento mostrou que, mais uma vez, assim como no experimento anterior, a informação quântica viajava de um sistema quântico para o outro: outro exemplo de teletransporte quântico.

Muitas redes quânticas baseadas em emaranhamento em todo o mundo, incluindo redes que se estendem para o espaço, estão sendo desenvolvidas para alavancar os fenômenos assustadores de teletransporte quântico, repetidores e redes quânticas e outros aspectos práticos do emaranhamento quântico. O estado quântico é “recortado e colado” de um local para outro, mas não pode ser clonado, copiado ou “movido” sem destruir o estado original.

A ligação entre o Universo real e esta simulação de “buraco de minhoca quântico”

Por que deveríamos nos preocupar com esse trabalho e o que, se é que ensina alguma coisa, ele nos ensina sobre a conexão entre buracos de minhoca e os tipos de simulações que um computador quântico pode fazer?

A normalmente sóbria revista Quanta fez um relato preciso e aprofundado da simulação realizada no computador quântico, mas perdeu totalmente o barco nesta frente, como muitos outros foram rápidos para corretamente apontar .

Em primeiro lugar, o uso de um computador quântico não nos ensinou nada que não pudéssemos aprender (e já não sabíamos com antecedência!) Usando computadores clássicos e cálculos manuais. Na verdade, a única coisa nova que foi realizada por essa equipe de pesquisadores – uma mistura de especialistas em computação quântica e físicos teóricos – foi que eles foram capazes de usar o aprendizado de máquina para simplificar com sucesso um problema anteriormente complexo em um que poderia ser simulado usando apenas um pequeno número de qubits em um computador quântico. Essa é uma conquista técnica impressionante e que merece ser celebrada pelo que é.

A correspondência AdS/CFT é o exemplo mais conhecido do princípio holográfico, que afirma uma correspondência física entre o volume interior de uma região do espaço e as propriedades encontradas na superfície que limita esse espaço. Outros exemplos fornecem playgrounds matemáticos que têm certa relevância física, mas essas analogias são fundamentalmente limitadas pela precisão com que descrevem os sistemas que estão modelando.

Mas, em vez disso, muitos estão comemorando essa conquista pelo que não é: evidência de que os buracos de minhoca têm alguma relevância para o nosso universo físico e/ou evidência de que essa simulação quântica fornece uma janela para como os buracos de minhoca realmente se comportariam em nosso universo.

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Aqui estão algumas coisas verdadeiras que você deve saber sobre o que a pesquisa recém-apresentada realmente fez (e não fez).

Ele usou apenas 9 qubits em sua simulação. 9 qubits significa que a função de onda quântica codificada poderia exigir no máximo 512 (porque 2 ⁹ = 512) números complexos para descrevê-lo, que é uma função de onda simples o suficiente para ser facilmente simulada em um computador clássico. Na verdade, foi simulado em um computador clássico por esses mesmos pesquisadores antecipadamente da simulação que eles realizaram em seu computador quântico! (Com resultados idênticos aos limites dos erros quânticos que surgem dos processos de computação quântica em 2022.)

Em outras palavras, não se aprendeu nada com a execução dessa simulação em um computador quântico além dos comportamentos que eles esperavam ver persistidos mesmo nessa simulação simples de 9 qubits. Embora isso seja um bom presságio para futuras simulações nas mesmas linhas, não fornece nenhuma visão profunda e fundamental além de mostrar algum potencial para computadores quânticos.

Esta versão de um processador Sycamore montado em um criostato supercondutor ilustra a aparência atual do computador quântico do Google. Embora os qubits ofereçam alguma vantagem computacional sobre os computadores clássicos, não há nada que possa ser fundamentalmente simulado em um computador quântico que não possa também ser simulado em um clássico.

E a conexão com buracos de minhoca? Você sabe, buracos de minhoca baseados na gravidade dentro da Relatividade Geral que podem realmente se aplicar ao nosso universo físico real?

É o mais especulativo possível. Primeiro, assume que o princípio holográfico – que afirma que todas as propriedades físicas dentro de um volume de espaço podem ser codificadas em um limite dimensional inferior desse espaço – é, de fato, uma propriedade da ainda não descoberta teoria quântica da gravidade. Em segundo lugar, em vez de usar a correspondência AdS/CFT, que é a equivalência matemática estabelecida entre um espaço 5D anti-de Sitter e a teoria de campo conforme 4D que define o limite desse espaço, eles usam a correspondência sugestiva entre o Modelo Sachdev-Ye-Kitaev e um espaço anti-de Sitter bidimensional.

Isso é um bocado, mas o que isso significa é que eles modelam a gravidade em “nosso Universo” como tendo uma dimensão de tempo, uma dimensão espacial e uma constante cosmológica negativa, e então pegam o que pode ser uma descrição matematicamente equivalente (o Sachdev-Ye- modelo de Kitaev) e simulou isso. Algumas das propriedades que eles observaram eram análogas a alguns dos comportamentos que se espera que um buraco de minhoca atravessável exiba, mas isso não fornece informações sobre como um buraco de minhoca atravessável em nosso Universo atual, governado pela Relatividade Geral (em três dimensões espaciais e uma temporal com um constante cosmológica positiva), se comportaria.

Se você deseja simular um buraco de minhoca como ele pode realmente existir em nosso Universo, sua simulação ou sistema analógico deve ser mostrado para jogar pelas mesmas regras com as quais nosso Universo joga. Se eles jogam com regras diferentes, não se pode esperar que o comportamento observado seja análogo ao que acontece dentro do nosso Universo.

Não há lições a serem aprendidas sobre a gravidade quântica aqui. Não há lições a serem aprendidas sobre buracos de minhoca atravessáveis ​​ou se eles existem em nosso Universo. Não há nem mesmo lições a serem aprendidas sobre a singularidade ou as capacidades dos computadores quânticos, pois tudo o que foi feito no computador quântico pode ser feito e foi feito anteriormente (sem erros!) em um computador clássico. O melhor que se pode tirar é que os pesquisadores, depois de realizar cálculos elaborados do modelo Sachdev-Ye-Kitaev por meios clássicos, foram capazes de realizar um cálculo análogo em um computador quântico que realmente retornou um sinal, não apenas um ruído quântico.

Mas é hora de cair na real. Se você quer estudar algo relevante para o nosso Universo, então usar uma estrutura que nosso universo é realmente análogo a . Se você está fazendo apenas um sistema analógico, seja honesto sobre as limitações do analógico e do sistema; não finja que é o mesmo que você está simplificando demais. E não leve as pessoas ao caminho do pensamento positivo; essa pesquisa nunca levará à criação de um buraco de minhoca real , nem sugere que “buracos de minhoca existem” mais do que experimentos de gelo giratório sugerir “ existem monopolos magnéticos .”

Buracos de minhoca e computadores quânticos provavelmente continuarão sendo tópicos incrivelmente interessantes para os físicos, e mais pesquisas sobre o modelo Sachdev-Ye-Kitaev provavelmente continuarão. Mas a conexão entre buracos de minhoca e computadores quânticos é praticamente inexistente, e esta pesquisa – apesar do hype – não muda absolutamente nada sobre esse fato.

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