Een quantumcomputer heeft een succesvolle simulatie uitgevoerd van een vereenvoudigd wormgat, een soort tunnel door de ruimtetijd. In de simulatie konden onderzoekers een stukje informatie door het wormgat sturen.
Voor het eerst is het gelukt om met hulp van een quantumcomputer een holografisch wormgat te simuleren. Het woord ‘holografisch’ verwijst hier niet naar een hologram zoals wij dat kennen, een driedimensionale afbeelding, maar naar een manier om natuurkundeproblemen te versimpelen waarin zowel lastige quantumeffecten als zwaartekrachtseffecten een rol spelen.
Simulaties als dit wormgat kunnen natuurkundigen mogelijk helpen om uit te vogelen hoe je de quantumtheorie en zwaartekrachttheorie kunt verenigen tot één theorie van quantumzwaartekracht. Dat is een van de grootste vragen in de natuurkunde.
‘Einstein liep als theoreticus vast op de nieuwe bevindingen’
Toen de Nederlandse natuurkundige Heike Kamerlingh Onnes iets geks ontdekte over supergeleiding, was dit onder veel fysici het gesprek van de dag. Maa ...
De quantummechanica bepaalt de regels op de schaal van minuscule deeltjes. De theorie voor de zwaartekracht, de algemene relativiteitstheorie, gaat juist over reusachtige objecten. Het probleem is dat deze twee theorieën niet compatibel zijn. Dat wordt pijnlijk duidelijk in situaties waarin beide een rol spelen, zoals het geval is in en rondom zwarte gaten.
Versimpelde weergave
Het gebied rondom een zwart gat is erg complex, maar hier biedt holografie een uitweg. Holografie is een techniek om een beschrijving van het systeem te maken die minder ingewikkeld is, maar die toch equivalent is aan het origineel. Net zoals een tweedimensionaal hologram details kan onthullen in drie dimensies.
Natuurkundige Maria Spiropulu gebruikte, samen met haar collega’s van het California Institute of Technology, de quantumcomputer van Google, Sycamore, om een holografisch wormgat te simuleren. Ze maakten een wormgat, een tunnel door de ruimtetijd, met aan beide uiteinden een zwart gat. In theorie zou je door deze tunnel een bericht kunnen versturen. Met hun simulatie konden de natuurkundigen de reis van zo’n bericht door het wormgat bestuderen en beschrijven.
Als het om een echt wormgat zou gaan, zou de reis onderhevig zijn aan zwaartekrachtseffecten. Maar om het systeem te vereenvoudigen, heeft Spiropulu’s team de effecten van de zwaartekracht vervangen door quantumeffecten. Daardoor hoeft er geen rekening meer gehouden te worden met de gevolgen van relativiteit.
Berichtje sturen
Wanneer het bericht door het wormgat reist, ondergaat het een quantumteleportatie. Hierbij wordt informatie over de toestand van twee verstrengelde deeltjes op afstand uitgewisseld. In deze simulatie werd als bericht een signaal gebruikt met daarin zo’n quantumtoestand – een quantumbit, of qubit, die in zich in een superpositie van zowel 1 als 0 bevond.
‘Het signaal wordt door elkaar gehusseld. Het wordt een soort brij, het wordt chaos. En dan wordt het weer onthusseld, en komt het aan de andere kant van het wormgat weer ongedeerd tevoorschijn’, zegt Spiropulu. ‘Zelfs op zo’n kleine schaal konden we het wormgat in stand houden, en de waarnemingen kwamen overeen met onze verwachtingen.’
Dit komt door de quantumverstrengeling tussen de twee zwarte gaten, die ervoor zorgt dat informatie die in het ene zwarte gat valt, weer ongedeerd uit het andere komt. Quantumcomputers zijn gebaseerd op verstreneling, een eigenschap die nuttig is bij dit soort simulatie-experimenten.
Lage resolutie
De simulatie had een lage resolutie, want er werden slechts negen qubits gebruikt. Dat wil zeggen dat de simulatie, net zoals een foto van een vogel die van veraf is genomen, wel ongeveer de vorm van het afgebeelde voorwerp liet zien, maar wel nog bijgeschaafd moet worden. Alleen dan kwamen de eigenschappen van het wormgat aan het licht.
‘Als je dit model wilt vergelijken met een wormgat, dan kan dat, want er zijn een hoop overeenkomsten. Maar het model laat zeker iets aan de interpretatie over’, zegt natuurkundige Adam Brown van de Universiteit van Stanford in California. Hij was niet betrokken bij dit onderzoek.
Krachtiger quantumcomputer
Het gebruik van een krachtigere quantumcomputer kan helpen het plaatje verder te verduidelijken. ‘Dit is maar een baby-wormgat, een eerste stap op weg naar het testen van quantumzwaartekrachttheorieën. Naarmate de quantumcomputers meer capaciteit krijgen, zullen we grotere quantumsystemen gaan gebruiken. Dan kunnen we ook grotere ideeën over quantumzwaartekracht gaan testen’, zegt Spiropulu.
Dat is belangrijk, omdat sommige quantumzwaartekrachttheorieën moeilijk of zelfs onmogelijk te doorgronden zijn met klassieke computers. ‘Quantumzwaartekracht is verwarrend. Het is moeilijk voorspellingen af te leiden uit de theorie, en het zou ideaal zijn om quantumcomputers te gebruiken om vragen over quantumzwaartekracht te beantwoorden’, zegt ook Brown. ‘Maar dat is niet wat hier gebeurt. Dit is een erg kleine quantumcomputer, dus deze simulatie kun je ook doen op een laptop. Daarvoor hoeft de koeling niet eens aan te schakelen.’
Toch wijst de gelijkenis tussen deze simulatie en een ‘echt’ wormgat erop dat het mogelijk is met behulp van quantumcomputers ideeën over quantumzwaartekracht te testen. Misschien zullen we de theorie ooit zelfs begrijpen.
