量子物理学：量子プロセッサー上のホログラフィックワームホール
Nature
量子プロセッサー上でホログラフィックワームホールの量子「シミュレーション」が行われたことを初めて報告する論文が、今週、Natureに掲載される。この実証は、GoogleのSycamoreプロセッサーを使って行われたもので、実験室内で量子重力を研究する可能性に向けた一歩と言える。
一般相対性理論は、高エネルギーの物理世界や物質密度の高い物理世界（例えば天体）を記述し、量子力学は、原子スケールと原子未満のスケールで物質を記述する。量子重力は、上述の2つの物理世界が関係する物体（例えばブラックホールの内部）を記述する物理学上の理論仮説だ。しかし、量子力学と一般相対性理論は、根本的に相いれないものであり、そのため量子重力理論については意見の一致が見られない。
ホログラフィック原理は、量子力学と一般相対性理論を調和させるために役立つかもしれない各種理論をつなぐ方法であり、相対性については、制限された物理系において量子物理学から生じたものと説明される。今回、Maria Spiropuluたちは、ホログラフィック原理に従って、ホログラフィックワームホールのシミュレーションを行う単純な系を設計した。ホログラフィックワームホールとは、適切に設計された量子系の特性が重力系で予想される特性と一致する場所のことだ。今回の量子シミュレーションは、9キュービット回路で構成される量子コンピューターを使って実行された。プロセッサー内をテレポートしたキュービットのダイナミクスは、通り抜け可能なワームホールを通り抜ける際に予想されるダイナミクスと同じだった。
これらの実験により、将来的に量子重力理論の検証に量子コンピューターを使用することの実現可能性が初めて実証された。
The first known report of a quantum “simulation” of a holographic wormhole on a quantum processor is published in Nature this week. The demonstration, performed using the Google Sycamore processor, represents a step towards the possibility to study quantum gravity in the laboratory.
General relativity describes the physical world at high energies or matter densities, for instance in astrophysical objects. Quantum mechanics describes matter at atomic and subatomic scales. Quantum gravity is a hypothetical physical theory that would describe objects where both these instances are relevant, such as the interior of black holes. However, quantum mechanics and general relativity are fundamentally incompatible, and there is therefore no consensus on a theory of quantum gravity.
The holographic principle is a way to connect different theories that might help reconcile quantum mechanics and general relativity, explaining relativity as emergent from quantum physics in a restricted physical system. Following this principle, Maria Spiropulu and colleagues design a simple system to simulate a holographic wormhole — where the properties of a suitably designed quantum system match what is expected in a gravitational system. The quantum simulation is performed using a quantum computer, consisting of a nine-qubit circuit. A qubit teleported across the processor exhibits the same dynamics as a qubit would be expected to while crossing a traversable wormhole.
The experiments offer a first demonstration of the potential future feasibility of using quantum computers to test theories of quantum gravity.
doi: 10.1038/s41586-022-05424-3
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