Nei primi giorni di dicembre è stato pubblicato su Nature uno studio del California Institute of Technology, riguardante l’implementazione di un protocollo di teletrasporto quantistico. L’esperimento è stato eseguito sul computer quantistico di Google utilizzando il cosiddetto modello SYK (Suachdev-Ye-Kitaev). Si tratta di un sistema di particelle che interagiscono in gruppi, invece che a coppie come avviene solitamente.

Descritto per la prima volta da Subir Sachdev e Jinwu Ye nel 1993, il modello ha improvvisamente acquisito più importanza a partire dal 2015, quando il fisico teorico Alexei Kitaev ha scoperto che è di tipo olografico. In una conferenza di quell’anno a Santa Barbara, Kitaev riempì diverse lavagne con prove che la particolare versione del modello in cui le particelle di materia interagiscono in gruppi di quattro è matematicamente mappabile con un buco nero unidimensionale nello spazio Anti de Stitter (AdS), con simmetrie identiche e altre proprietà. Il fisico teorico Juan Maldacena era seduto in prima fila e nella sua testa stava iniziando a progettare un grande esperimento.

Lui e gli altri coautori dello studio hanno proposto che due modelli SYK collegati tra loro potessero codificare le due bocche di un wormhole e il passaggio fra le due. Era il 2019 quando Daniel Jafferis e Ping Gao, collaboratori di Malcedena, trovarono il modo di descrivere concretamente il teletrasporto di un qubit di informazioni da un sistema di particelle interagenti a quattro vie a un altro.

La semplificazione del modello SYK

Mentre il lavoro teorico si stava sviluppando, Maria Spiropulu, fisica delle particelle coinvolta nella scoperta del bosone di Higgs nel 2012, stava pensando a come utilizzare i nascenti computer quantistici per fare esperimenti di gravità quantistica olografica. Nel 2018 la fisica convinse Jafferis a unirsi al suo team in crescita, insieme ai ricercatori di Google Quantum AI, custodi del dispositivo Sycamore.

Per eseguire il protocollo di teletrasporto wormhole di Jafferis e Gao sul computer quantistico di Google, all’avanguardia ma ancora piccolo e soggetto a errori, il team di Spiropulu ha dovuto semplificare notevolmente il protocollo.

Un modello SYK completo è costituito da un numero (quasi) infinito di particelle, accoppiate l’una all’altra con punti di forza casuali man mano che si verificano interazioni “a quattro vie”. Neanche l’utilizzo di tutti i 50 qubit disponibili avrebbe potuto eseguire un calcolo di questa portata, che richiede centinaia di migliaia di operazioni di circuito. I ricercatori hanno dunque deciso di creare un wormhole olografico con solo sette qubit e centinaia di operazioni.

Per realizzare la semplificazione, gli esperti hanno dovuto ridurre il modello SYK a sette particelle, codificando solo le interazioni a quattro vie più forti ed escludendo le altre, facendo anche attenzione a mantenere le proprietà olografiche del modello. Sono serviti due lunghi anni di lavoro da parte di Zlokapa, studente unitosi al gruppo per un progetto universitario.

Ricreare un wormhole olografico

Programmatore di talento, Zlokapa ha usato il machine learning per mappare le interazioni delle particelle del modello SYK sulle connessioni tra i neuroni di una rete neurale, e ha addestrato il sistema a eliminare il maggior numero possibile di connessioni di rete, pur preservando una firma chiave del wormhole. La procedura ha ridotto il numero di interazioni a quattro vie da centinaia a cinque.

Successivamente, il team ha iniziato a programmare i qubit di Sycamore. Sette qubit codificano 14 particelle, di cui sette in ciascuno dei sistemi SYK sinistro e destro. Ogni particella a sinistra è entangled con una a destra. Un ottavo qubit, in una combinazione probabilistica degli stati 0 e 1, viene scambiato con una delle particelle del modello SYK di sinistra.

I possibili stati di quell’ottavo qubit si aggrovigliano rapidamente con gli stati delle altre particelle a sinistra, diffondendo le sue informazioni uniformemente tra di loro. Questo è olograficamente duale al qubit che entra nella bocca sinistra di un wormhole unidimensionale nello spazio AdS.

In seguito, tutti gli stati dei qubit di destra ruotano, processo duale a un impulso di energia negativa che scorre attraverso il wormhole. La rotazione fa sì che il qubit iniettato si trasferisca alle particelle del modello SYK di destra. Quindi vengono misurati gli stati dei qubit. Il conteggio degli 0 e degli 1 su molti esperimenti e il confronto di queste statistiche con lo stato preparato dei qubit iniettati rivela se i qubit si stanno teletrasportando.

Il segnale che indica il funzionamento del wormhole

Come fare a capire che il teletrasporto è stato eseguito? Quel che i ricercatori cercavano era un segnale nei dati, tale che:

1. Se il segnale è presente, sottoforma di un picco, allora le rotazioni dei qubit rappresentano impulsi duali all’energia negativa e consentono ai qubit di teletrasportarsi.
2. Se invece il picco non compare, le rotazioni sono nella direzione opposta. Ciò significa che sono duali a impulsi di normale energia positiva, quindi i qubit non possono passare: il wormhole è chiuso.

Una notte di gennaio, dopo due anni di graduali miglioramenti e sforzi per la riduzione del rumore, Zlokapa ha eseguito il protocollo su Sycamore a distanza, dalla sua camera da letto d’infanzia nella San Francisco Bay Area, dove stava trascorrendo le vacanze invernali dopo il suo primo semestre di scuola di specializzazione. Fu allora, attorno alle due di notte, che il picco apparve sullo schermo del suo computer. “Continuava a diventare sempre più nitido” ha detto. “Stavo inviando screenshot del picco a Maria e mi sono emozionato molto, scrivendo: ‘Penso che quello che vediamo sia un wormhole'”. Maria Spiropulu dice che riusciva a malapena a credere al picco pulito e pronunciato che stava vedendo.

Sorprendentemente, nonostante la semplicità scheletrica del loro wormhole, i ricercatori hanno rilevato una seconda firma delle dinamiche del wormhole, a conferma della validità del loro esperimento. Si tratta di uno schema delicato nel modo in cui le informazioni si diffondono e non si diffondono tra i qubit. noto come size-winding. Non avevano addestrato la loro rete neurale a preservare questo segnale mentre semplificavano il modello SYK, quindi il fatto che esso si presenti comunque è una scoperta sperimentale sull’olografia.

Indagare le proprietà quantistiche della gravità

I fenomeni quantistici come l’entanglement sono normalmente astratti. Non sappiamo, ad esempio, come una misurazione della particella A determini da lontano lo stato di B. Ma nel nuovo esperimento, l’informazione che si teletrasporta tra le particelle ha un’interpretazione tangibile, come una particella che riceve un calcio di energia e si muove a una velocità calcolabile da A a B!

Susskind ha detto che spera che i futuri esperimenti sui wormhole che coinvolgeranno molti più qubit possano essere usati per esplorare l’interno del wormhole, come un modo per indagare sulle proprietà quantistiche della gravità. Infatti, se ponendo le giuste condizioni al contorno possiamo attraversare il wormhole, significa anche che possiamo vederne l’interno. Effettuando misurazioni sul qubit che ha attraversato il wormhole, è possibile avere informazione su ciò che c’è all’interno. Significa che è possibile comprendere come due sistemi entangled siano descritti da una geometria connessa.

Le critiche degli astrofisici all’esperimento

Molti fisici dicono che l’esperimento non ci dice nulla sul nostro Universo, dal momento che realizza una dualità nello spazio anti-de Sitter, cosa che il nostro Universo non è. Nei 25 anni trascorsi dalla scoperta da parte di Maldacena della corrispondenza tra AdS e olografia, i fisici hanno cercato una dualità olografica simile per lo spazio di de Sitter. Hanno creato una mappa che va da un sistema quantistico all’Universo di de Sitter (in espansione e ad energia positiva) in cui viviamo, ma i risultati hanno portato alcuni a dubitare che lo spazio di de Sitter sia olografico.

I critici sostengono che i due tipi di spazio differiscono categoricamente. AdS ha un confine esterno mentre lo spazio dS no, quindi non esiste una transizione matematica uniforme che possa trasformare l’uno nell’altro. Inoltre, il confine rigido dello spazio AdS è proprio ciò che rende l’olografia facile in quell’ambiente, fornendo la superficie quantistica da cui proiettare lo spazio. In confronto, nel nostro universo de Sitter, gli unici confini pensabili sono quello dimensionale, che è determinato da quanto più lontano possiamo vedere, e quello temporale, nonché il futuro infinito. Queste sono superfici nebbiose da cui provare a proiettare un ologramma spazio-temporale.

Renate Loll, una nota teorica della gravità quantistica presso la Radboud University nei Paesi Bassi, ha anche sottolineato che l’esperimento del wormhole riguarda lo spazio-tempo 2D. Il wormhole è un filamento, con una dimensione spaziale più la dimensione temporale, mentre la gravità è più complicata nello spazio-tempo 4D in cui viviamo.

Il wormhole e il nostro Universo

È vero che il modello di entanglement che intreccia lo spazio 4D de Sitter è più complicato rispetto al 2D in AdS. Tuttavia è comunque possivile trarre lezioni generali studiando l’olografia in contesti più semplici. Questo campo tende a vedere i due tipi di spazio, dS e AdS, come più simili che diversi. Entrambi sono soluzioni alla teoria della relatività di Einstein, che differiscono solo per un segno meno. Entrambi contengono buchi neri colpiti dagli stessi paradossi. E quando si è nel mezzo dello spazio AdS, lontano dai suoi confini, si riesce a malapena a distinguere l’ambiente da quello di de Sitter.

Tuttavia, Susskind concorda sul fatto che è ora di compiere studi più reali. A tal fine, Susskind ha proposto che lo spazio di de Sitter potrebbe essere un ologramma di una versione diversa del modello SYK. Non quello con interazioni di particelle a quattro vie, ma uno in cui il numero di particelle coinvolte in ciascuna interazione cresce come la radice quadrata del numero totale di particelle.

Un tale sistema quantistico è più complesso di quello programmato finora, e “se quel limite è qualcosa che sarà realizzato in laboratorio, non lo so”, ha detto Susskind. Quello che sembra certo è che, ora che c’è un wormhole olografico, se ne potranno aprire altri.

Per saperne di più sulla prospettiva storica dietro all’esperimento -> I wormhole quantistici e la “conferma” sperimentale: una prospettiva storica

Per comprendere meglio i concetti fisici alla base della gravità quantistica e dell’olografia -> Dalla dualità olografica e i computer quantistici, fino al wormhole olografico

Questa sera concluderemo la trattazione di questo argomento con una live speciale, assieme al fisico teorico Cristiano De Nobili, a partire dalle 20:45:

Questo articolo è stato scritto in collaborazione con Mariasole Maglione.