Что находится внутри черной дыры? Квантовые компьютеры могут смоделировать ее

И квантовые вычисления, и машинное обучение уже довольно давно называются следующей большой компьютерной революцией.

Однако эксперты отмечают, что эти методы не являются универсальными инструментами - они станут большим скачком вперед в компьютерной мощи только для очень специализированных алгоритмов, и еще реже они смогут работать над одной и той же проблемой.

Одним из примеров того, где они могут работать вместе, является моделирование ответа на одну из самых сложных проблем в физике: как Общая теория относительности связана со Стандартной моделью?

Команда, возглавляемая исследователями из Мичиганского университета и RIKEN, считает, что им удалось разработать именно такой алгоритм. Существует не так много мест, где сталкиваются две великие физические модели, но вокруг черной дыры - одно из них.

Черные дыры сами по себе являются массивными гравитационными колодцами, которые полностью управляются физикой, определенной Общей теорией относительности. Однако вокруг их горизонтов событий кружатся бесчисленные частицы, которые фактически не подвержены гравитации, но подпадают под структуру Стандартной модели, которая имеет дело непосредственно с физикой частиц.

Давно существует теория, согласно которой движения и ускорения частиц, находящихся непосредственно над черной дырой, могут быть двумерной проекцией того, что делает сама черная дыра в трех измерениях.

Эта концепция называется голографическим дуализмом и может предложить способ поиска критического интерфейса между относительностью (т.е. физикой черных дыр) и Стандартной моделью (т.е. физикой частиц).

Однако сам голографический дуализм сложно смоделировать с помощью современных вычислительных алгоритмов. Поэтому Энрико Ринальди, физик из Мичиганского университета и RIKEN, попытался разработать новую модель, использующую две очень популярные вычислительные архитектуры - квантовые вычисления и машинное обучение.

Квантовые вычисления сами по себе могут быть полезны в моделировании физики частиц, поскольку некоторые физические процессы, лежащие в основе самой вычислительной платформы, подчиняются тем физическим законам, которые так чужды нам в макромасштабе.

В данном случае доктор Ринальди и его команда использовали алгоритм, запущенный на квантовом компьютере, для моделирования частиц, составляющих проектную часть голографического дуализма.

Для этого они использовали концепцию, называемую квантовой матричной моделью. Как и во многих других физических симуляциях, конечной целью симуляции было нахождение наименьшего энергетического состояния системы.

Квантовые матричные модели помогли бы эффективно решить проблемы оптимизации, чтобы найти наименьшее энергетическое состояние систем частиц, проецируемых над черной дырой.

Алгоритмы, использующие квантовый компьютер, - не единственный способ найти эти "основные состояния", как называют состояние системы с наименьшей энергией. Другим способом является использование техники искусственного интеллекта, называемой нейронной сетью. Они основаны на использовании систем, аналогичных тем, которые находятся в человеческом мозге.

Команда применила эти алгоритмы к типу матричной модели, все еще основанной на квантовых идеях, но не требующей квантовых вычислений.

Известные как квантовые волновые функции, они снова представляли активность частиц на поверхности черной дыры. И снова нейросетевой алгоритм смог решить проблему оптимизации и найти свое "основное состояние".

По словам Ринальди, эти новые методы представляют собой значительное улучшение по сравнению с другими предыдущими попытками решения этих алгоритмов. "Другие методы, которые обычно используют люди, могут найти энергию основного состояния, но не всю структуру волновой функции", - сказал Ринальди в пресс-релизе.

Что это означает для понимания внутренностей черной дыры или интерфейса между стандартной моделью и общей относительностью, все еще остается немного черным ящиком. Теоретически, должен существовать способ моделирования внутренней части черной дыры с использованием типов квантовых волновых функций, определенных этими алгоритмами.

Но эта работа, которая, по словам Ринальди, может привести к созданию квантовой теории гравитации, еще не завершена. Однако по мере того, как эти набирающие популярность вычислительные архитектуры продолжают набирать обороты, можно быть почти уверенным, что кто-то попытается пролить свет на этот черный ящик.