הדמייה ראשונה של חור תולעת במחשב קוונטי

צוות חוקרים מאוניברסיטת הרווארד, MIT וקלטק בשיתוף עם גוגל ערכו הדמייה מוצלחת של חור תולעת הניתן למעבר בעזרת מחשב קוונטי. הניסוי שבוצע על המעבד הקוונטי של גוגל, הדגים מעבר של אינפורמציה במערכת השזורה. על פי עיקרון ההולוגרפיה, הפיזיקה שהודגמה בניסוי זהה לזו של חלקיקים העוברים דרך חורי תולעת. על אף שנערך על תשעה קיוביטים בלבד, הניסוי בעל חשיבות אדירה משום שהוא ממחיש לראשונה את האפשרות לבחון כבידה קוונטית בעזרת מערכות שזורות.

בסוף המאה הקודמת, עיקרון רדיקלי צמח במוחם של הפיזיקאים הנודעים וויטן ומלדסנה. העיקרון שהם נסחו, המכונה עיקרון ההולוגרפיה, הניח שהפיזיקה המתרחשת ביקום בהשפעת כבידה יחסותית זהה לחלוטין ליקום עם ממד אחד פחות הנשלט על חוקי מכניקת הקוונטים ללא כבידה. המאמרים של וויטן ומלדסנה נחשבים כיום למצוטטים ביותר בפיזיקה של אנרגיות גבוהות וככל הנראה עובדה זו לא תשתנה בקרוב. הרעיון המפליא שהכה גלים בקהילה המדעית, אינו חף מסימני שאלה. נתחיל בכך שהוא לא תקף ביקום שלנו, משום שהוא עובד רק ביקום עם קבוע קוסמולוגי שלילי (ולא ביקום עם קבוע קוסמולוגי חיובי). בנוסף, התורה הקוונטית המקבילה לתורת הכבידה אינה סתם עוד תורה קוונטית, המתמטיקה קובעת שהיא חייבת להתנהג באופן זהה בכל מרחק, ארוך או קצר. במילים אחרות, לתורה זו יש סימטריה לכיווץ ומתיחה (אם מדייקים, הסימטריה היא סימטריה קונפורמית אבל זה פחות חשוב לדיון שלנו). על אף מגרעותיו, עיקרון זה אתגר את התפיסה רבת השנים שמכניקת הקוונטים ותורת היחסות לא משתלבות ביחד ואף רמז שהן למעשה שני צדדים של אותו המטבע. הסיבה שפיזיקאים מכנים עיקרון זה כעיקרון ההולגרפיה היא משום שתורת הקוונטים מתוארת בממד אחד פחות מהתורה הכבידתית, ממש כמו שהולוגרמה מקודדת יקום תלת ממדי על משטח דו ממדי. חשוב לציין שההולוגרפיה הכבידתית מעולם לא הוכחה במלואה. כל מה שיש בידנו הן עדויות לכך שעיקרון זה עובד (יחד עם זאת העדויות חזקות ומשכנעות. חלקים מהקהילה המדעית אף מאמינים שלכל תורה כבידתית יש תורה קוונטית המקבילה לה, לא רק זו עם עקמומיות שלילית. ובכל זאת, במדע אין אמונות וכל עוד אין בידנו מיפוי שכזה, אלו אמירות סרק).

על חורי תולעת וחלקיקים שזורים

בהשפעת עיקרון ההולוגרפיה, סוסקינד ומלדסנה לקחו את הרעיון צעד אחד קדימה וב-2013 הם טענו שחורי תולעת, גופים תאורטיים המקצרים מרחקים בין קצוות שונים ביקום, מתארים למעשה את אותה הפיזיקה של חלקיקים שזורים. בקהילה המדעית, החיבור בין שזירה קוונטית וחורי תולעת חלחל בעצלתיים כי רבים תפסו תופעות אלו כלא קשורות. כיצד שזירה, תופעה שנצפתה במעבדה אינספור פעמים, וחורי תולעת, גופים תאורטיים שמעולם לא נצפו, קשורים אחד לשני? במאמר של סוסקינד ומלדסנה חורי תולעת תוארו כמנגנון המאפשר חיבור קוונטי לא לוקאלי בין שני חלקיקים, אבל האם חורי תולעת באמת אפשריים בטבע?

בסרטי מדע בדיוני, חורי תולעת פופולאריים מאוד. בעזרתם ניתן לערוך מסעות בין גלקסיות בזמן סביר, לפתח את העלילת הסרט למשך שעתיים ולא להימרח למשך מיליארדי שנים. כמובן שהייתי שמח לדווח שחור תולעת כזה בהישג יד, אך לצערנו המציאות מורכבת הרבה יותר. החור תולעת, שאיינשטיין רוזן פודולסקי תיארו לראשונה ב-1935 אינו חור תולעת שניתן לעבור דרכו. למעשה אם שני אנשים נכנסים לתוכו, הם אולי יפגשו באמצע, אבל לא יוכלו לחצות לצד השני. המפגש אגב, יהיה רגעי בלבד, משום שמהר מאוד הם יקרסו תחת הכבידה של החור תולעת. עובדה זו לא השתנתה ממש עד לאחרונה, כאשר ג’פריס ועמיתיו מהרווארד הראו לראשונה בשנת 2017 שניתן לבנות חור תולעת שיכול להיפתח לכמה רגעים ולאפשר לחלקיקים לחצות לצידו השני. השיטה שבה ג’פריס הצליח לפתוח את החור תולעת נעזרה באנרגיה שלילית. זו לא תגלית חדשה, אגב, אבל עד למאמרו של ג’פריס, לא ידעו איך לעשות זאת. החישובים של ג’פריס הראו שהחור תולעת מתמלא באנרגיה שלילית כל עוד מניחים שהפתחים מושפעים אחד מהשני תחת אינטראקציה קוונטית מוכרת.

תגליתו של ג’פריס, היא הגושפנקה הראשונה לרעיון של סוסקינד ומלדסנה. הסיבה שהחור תולעת יכול להעביר דרכו אינפורמציה, היא משום שהפתחים מתוארים אפקטיבית כחלקיקים שזורים, בגלל האינטראקציה בניהם, בהתאמה מלאה לעיקרון ההולוגרפיה. חשוב לציין שבחורי התולעת של ג’פריס לא מתאפשרת העברת אינפורמציה במהירות הגבוהה ממהירות האור משום שכדי שהחור תולעת יפתח, חייבת להתרחש אינטראקציה קוונטית בין הפתחים, וזו מתקיימת כל עוד שני הפתחים יכולים לתקשר במהירות הנמוכה ממהירות האור.

חור תולעת על מחשב קוונטי

אם הולוגרפיה אכן נכונה והפיזיקה של חורי תולעת אכן זהה לחלקיקים שזורים, אזי ניתן לקודד באמצעות שזירה תהליך המדמה מעבר של אינפורמציה בחורי תולעת. ב-2021 ג’פריס ועמיתיו טענו זאת בדיוק והראו שניתן לבנות ניסוי על מחשבים קוונטים שידגימו חור תולעת פתוח. הסיבה שמחשבים קוונטים יכולים לעשות זאת היא משום שמחשב קוונטי בנוי ממערכות השזורות אחת לשנייה. בכדי לבנות הדמייה של חור תולעת, הנסיינים קיבצו את הקיוביטים לשתי קבוצות ושזרו בניהם. שתי הקבוצות, או צידי המחשב הקוונטי מדמים את קצות היקום שחור התולעת מוביל אליהם. בשלב השני של הניסוי הם הכניסו מידע לצד אחד של המחשב הקוונטי, המתינו מעט שהמידע התערבב ברעש ואז הדליקו את האינטראקציה בין שני צידי המחשב. לאחר מספר רגעים הם ראו שהמידע עבר לצידו השני ללא רעשים. את הניסוי המוצלח, ג’פריס ועמיתיו מגוגל, קלטק ו-MIT פרסמו על השער במגזין נייצ’ר.

נדגיש שהחור תולעת שהודגם במחשב הקוונטי אינו חור תולעת אמיתי, הוא מיפוי מתמטי לבעיה האמיתית שדורשת כבידה. ההדגמה עצמה לא מושפעת מכוח הכבידה, גם לא מכוח הכבידה המושרה מכדור הארץ. מכאן נובע שאין שום סיכון שחור תולעת ייווצר במחשב הקוונטי ויבלע את כדור הארץ.

אומנם ניתן להסביר את התהליך הפיזיקאלי שמתרחש במחשב הקוונטי גם ללא שימוש בעיקרון ההולוגרפיה אך הוא עלול להישמע מסובך. ההקבלה של תהליך זה לחור תולעת מעניק הסבר פשוט יחסית לעובדה שהמידע עבר לצידו השני של המחשב הקוונטי ללא רעשים. חשוב לציין שעיקרון ההולוגרפיה עובד נפלא בעיקר במערכות גדולות עם המון דרגות חופש, אך כיום אין בידנו מחשב קוונטי המכיל המון קיוביטים הנקי מרעשים. בכדי ששגיאות הניסוי יהיו קטנות, החוקרים הדגימו את החור תולעת של ג’פריס בעזרת תשעה קיוביטים בלבד. המספר המועט של הקיוביטים אומר הניסוי היה יכול להתרחש גם על מחשב קלאסי. כל עוד הדבר אפשרי, הניסוי לא אמור מלמד אותנו דבר חדש על כבידה קוונטית. יחד עם זאת, אדגיש שהניסוי של ג’פריס מהווה אבן דרך שתסלול את פיתוחם של ניסויים המדמים תהליכים כבידתיים על מחשבים קוונטים. זו הוכחה משמעותית שניתן לדמות היבטים מסוימים של חורי תולעת במחשב קוונטי ואולי בעתיד לבצע את אותו ניסוי על מחשב קוונטי מלא עם אלפי קיוביטים.

יש לכם שאלה או נושא שתרצו שאכתוב עליו? פנו אליי לכתובת [email protected]

למאמר המדעי

עוד בנושא באתר הידען:

• צעד נוסף לקראת כבידה קוונטית
• תשכחו מחורים שחורים, עכשיו המשימה למצוא חורי תולעת
• פיסיקאים: קיום חורי תולעת (זעירים) אפשרי
• חורים שחורים, חורי תולעת וסודות המרחב־זמן הקוונטי
• צעד נוסף לקראת כבידה קוונטית