Что внутри черной дыры? Квантовые компьютеры могут это смоделировать

И квантовые вычисления, и машинное обучение уже довольно давно рекламируются как следующая большая компьютерная революция.

Тем не менее, эксперты отмечают, что эти методы не являются универсальными инструментами — они будут лишь большим скачком в вычислительной мощности 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 соотносится со стандартной моделью?

Группа исследователей из Мичиганского университета и RIKEN считает, что они могли разработать именно такой алгоритм. Не так много мест, где сталкиваются две великие физические модели, но вокруг черной дыры одна из них.

Сами по себе черные дыры представляют собой массивные гравитационные колодцы, полностью управляемые физикой, определенной общей теорией относительности. Однако вокруг своих горизонтов событий вращается бесчисленное множество частиц, которые фактически невосприимчивы к гравитации, но подпадают под структуру Стандартной модели, которая имеет непосредственное отношение к физике частиц.

Существует давняя теория о том, что движения и ускорения частиц непосредственно над черной дырой могут быть двухмерной проекцией того, что сама черная дыра делает в трех измерениях.

Эта концепция называется голографической дуальностью и может предложить способ поиска критического интерфейса между теорией относительности (т. е. физикой черных дыр) и Стандартной моделью (т. е. физикой элементарных частиц).

Однако саму голографическую двойственность сложно смоделировать с помощью современных вычислительных алгоритмов. Поэтому Энрико Ринальди, физик из Мичиганского университета и RIKEN, попытался разработать новую модель, в которой использовались бы две очень разрекламированные вычислительные архитектуры — квантовые вычисления и машинное обучение.

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

В этом случае доктор Ринальди и его команда использовали алгоритм, работающий на квантовом компьютере, для моделирования частиц, составляющих проектную часть голографической двойственности.

Для этого они использовали концепцию, называемую моделью квантовой матрицы. Как и во многих физических симуляциях, конечной целью симуляции было найти состояние системы с наименьшей энергией.

Квантово-матричные модели помогут эффективно решить задачи оптимизации, которые позволят найти самое низкое энергетическое состояние систем частиц, спроецированных над черной дырой.

Алгоритмы, использующие квантовый компьютер, — не единственный способ найти эти «основные состояния», как называют самое низкое энергетическое состояние системы. Другой метод заключается в использовании метода искусственного интеллекта, называемого нейронной сетью. Они основаны на использовании систем, подобных тем, которые находятся в человеческом мозгу.

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

Известные как квантовая волновая функция, они снова представляли активность частиц на поверхности черной дыры. И снова алгоритм нейронной сети смог решить задачу оптимизации и найти свое «основное состояние».

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

То, что это означает для понимания внутренней части черной дыры или интерфейса между стандартной моделью и общей теорией относительности, все еще остается чем-то вроде черного ящика. Теоретически должен существовать способ моделирования внутренней части черной дыры с использованием типов квантовых волновых функций, определенных этими алгоритмами.

Но эта работа, которая могла бы привести к фундаментальной квантовой теории гравитации согласно Ринальди, которую еще предстоит сделать. Однако по мере того, как вычислительные архитектуры продолжают набирать популярность, почти наверняка кто-то попытается пролить свет на этот черный ящик.

Статья опубликована Universe Today.