В 1973 году Джон Арчибальд Уилер описал отношение между пространством и материей двумя предложениями: «Пространство действует на материю, указывая ей, как двигаться. В свою очередь, материя реагирует на пространство, указывая ему, как искривляться». Слова Уилера служат кратким изложением общей теории относительности Альберта Эйнштейна.
Слова Уилера также излагают задачу, с которой сегодня сталкиваются теоретики: когда они строят модель вселенной — по крайней мере, ту, которая работает на квантовом уровне, — было трудно заставить пространство и материю взаимодействовать так, как они должны.
Эйнштейн рассматривал гравитацию не как силу, а как геометрическое искривление пространства и времени. В популярной аналогии ткань пространства-времени подобна плоской поверхности матраса, а массивный объект, такой как звезда, подобна шару для боулинга, лежащему сверху. Вес шара для боулинга сжимает матрас, образуя вмятину — материя указывает пространству-времени, как искривляться. В этой аналогии планета подобна меньшему шару. Если он подкатится достаточно близко к шару для боулинга, его путь изменится из-за вмятины в матрасе — пространство-время указывает материи, как двигаться.
Но общая теория относительности имеет фатальный недостаток. Когда звезда умирает и коллапсирует, её масса концентрируется в невообразимо плотную точку. Вмятина в матрасе растягивается в глубокую впадину, которая по сути разрывает ткань насквозь. Физики называют такое устройство чёрной дырой. Если шар достигает такого разрыва, он больше не направляется тканью, и аналогия разрушается; учёным нужна новая теория для понимания этой и других подобных экстремальных ситуаций.
В конце 1990-х годов физикам повезло. Они обнаружили, что если представить пространство-время как набор чисто квантовых частиц, они смогут в принципе описать чёрную дыру — со всеми её разрывами — совершенно по-новому.
Теоретики потратили последние несколько десятилетий на попытки понять, как именно пространство-время, построенное из таких квантовых частиц, может работать. И они добились прогресса: они обнаружили, что квантовая запутанность между частицами придаёт пространству-времени его структуру, создавая среду, где материя может двигаться — и удовлетворяя условиям первого утверждения Уилера. Но происхождение второго утверждения Уилера оставалось загадочным; в их моделях материя не указывала пространству, как искривляться. Шар для боулинга сидел на матрасе, не оставляя вмятины.
До настоящего момента. Физики, включая Чарльза Цао из Политехнического университета Вирджинии, недавно определили, как квантовые частицы могут придавать пространству-времени его способность к искривлению. В нескольких недавних работах несколько групп определили характеристику квантовой механики, которую Цао называет «кондиционером для ткани пространства». Это мера квантовости, называемая «магия».
«Без магии всё слишком просто, — сказал Джон Прескилл, физик из Калифорнийского технологического института, внёсший вклад в новую работу Цао. — И, знаете, квантовое пространство-время не такое простое».
Как закодировать вселенную.
В физике существует множество сдвигов перспективы. Например, существует более одного способа взглянуть на движение маятника. Можно указать его местоположение, используя высоту и горизонтальное смещение груза, висящего на конце струны. Или можно использовать длину струны и её угол. Эти перспективы эквивалентны; простые тригонометрические уравнения переводят вас от одной перспективы к другой.
В течение 50 лет теоретики стремились к гораздо более глубокому сдвигу перспективы: новому способу смотреть на вселенную за пределами искривлённого пространства-времени Эйнштейна.
В начале 1970-х годов Якоб Бекенштейн и Стивен Хокинг сделали первый шаг в этом направлении, когда обнаружили, что можно переинтерпретировать чёрную дыру как сферическую коллекцию частиц. В конце 1990-х годов Хуан Мальдасена, Эдвард Виттен и другие распространили это понимание на целую вселенную; они описали экзотический, статичный мир как толпу взаимодействующих частиц, также расположенных в сфере.
В обоих случаях можно заменить трёхмерную область пространства-времени частицами на поверхности этой области. Можно рассматривать поверхность как двумерную, подобно тому, как земной шар уплощается в бумажную карту. Физики называют эту двойственную природу пространства-времени голографическим принципом, поскольку он напоминает то, как голографическая наклейка может вместить целую трёхмерную сцену на плоскую поверхность без потери данных.
За последние пару десятилетий теоретики исследовали, что придаёт трёхмерной ткани пространства его форму. Запутанность, квантовое свойство, связывающее частицы друг с другом, по-видимому, служит соединительной тканью пространства. Возьмём, к примеру, червоточину — теоретический мост, соединяющий две отдалённые области пространства. Голографически трёхмерная червоточина эквивалентна двум запутанным наборам частиц. Начните перерезать «нити» запутанности, связывающие один набор с другим, и туннель, соединяющий области, будет становиться всё тоньше и тоньше. Перережьте последнюю нить — и связь полностью растворяется.
Волшебный ингредиент.
Цао начал с экспериментов с существующими кодами исправления ошибок. В 2020 году он и его соавтор Брэд Лэки модифицировали один такой код и обнаружили, что он позволяет пространству изменяться — но не в ответ на материю. Это была не гравитация, но это был прогресс. За исключением того, что Цао и Лэки не полностью поняли, почему модификация сработала.
В следующем году Поллок и его сотрудники поняли, что если вы действительно попытаетесь создать квантовую программу, которая выполняет модифицированный код на квантовом компьютере, вам нужно будет использовать определённую операцию, известную как Т-вентиль, которая поворачивает кубит.
Цао обратил на это внимание. Он только что посетил конференцию по квантовым вычислениям, где исследователи обсуждали такие вентили, отчасти потому, что они являются ключом к тому, чтобы сделать квантовые компьютеры более мощными, чем классические.
Исследователи ранее считали, что ключевым фактором была запутанность. Они разработали способ запуска программного обеспечения на классическом компьютере, который имитировал бы квантовую задачу. Когда эта квантовая задача включала запутывание кубитов, квантовые компьютеры имели преимущество перед классическими компьютерами, поскольку классическая программа занимала целую вечность. Но затем физики обнаружили способ ускорить процесс; оказалось, что определённые классические алгоритмы могут имитировать определённые запутывающие операции даже на ноутбуке.
В 2004 году Алексей Китаев и Сергей Бравый, оба тогда работавшие в Калифорнийском технологическом институте, привлекли внимание исследователей к квантовым операциям, известным как не-Клиффордовы вентили, которые включают Т-вентиль. Когда квантовая программа использует эти операции, эквивалентная классическая программа выполняется намного, намного дольше. Китаев и Бравый описали сложность, которую вносят эти операции, как «магия». Чем больше не-Клиффордовых вентилей нужно для создания квантового состояния, тем более магическим является это состояние.
После того как Цао узнал о магии и не-Клиффордовых вентилях, он объединился с Брайаном Свинглом и Кристофером Уайтом, оба исследователи из Университета Мэриленда. В 2020 году они изучили коллекции частиц, эквивалентные экзотической вселенной, называемой анти-деситтеровским пространством. Группа обнаружила, что частицы были высокомагическими. Какова, задались они вопросом, роль этой магии в анти-деситтеровском пространстве, которое представляли эти частицы?
Цао — в партнёрстве с Алиосчей Хаммой и другими и опираясь на работу Си Дуна — нашёл ответ несколькими годами позже. Они показали, что магия придаёт пространству его упругость. Магия, другими словами, связана со способностью пространства искривляться. И, следовательно, магия связана с гравитацией. «Если у вас есть одно, — сказал Бао, — у вас всегда есть и другое».
К началу 2026 года Цао и его сотрудники собрали все части. Они знали, что магия заставляет пространство искривляться. И они знали, что квантовые коды получают свою магию от не-Клиффордовых вентилей. Поэтому Цао, Прескилл и другие создали новое поколение кодов, чтобы превзойти коды стабилизаторов, на которых Харлоу и другие фокусировались десятилетием ранее, когда они разделяли закодированное пространство и закодированную материю. Этот новый код использовал множество не-Клиффордовых вентилей. Вентили сделали код магическим, позволив запутанности для пространства и запутанности для материи влиять на друг друга.
«Это довольно круто, потому что в квантовой гравитации мы не ожидаем, что фон фиксирован, — сказала Синтия Килер, физик из Университета штата Аризона, не участвовавшая в работе. — Он должен флуктуировать».
Существенная природа магии особенно интригует таких физиков, как Свингл, которые надеются использовать её на квантовом компьютере для моделирования того, как гравитация ведёт себя в ситуациях, где общая теория относительности не работает. «Если нам нужна высокая магия, то нам внутренне нужен квантовый компьютер, — сказал Свингл, — потому что нет другого способа в общем случае получить ответ на такого рода вопрос».
Гравитация из квантовости.
В принципе, запутанности и магии могло бы быть достаточно для того, чтобы будущие физики могли моделировать пространство на квантовом компьютере. Но новый код Цао всё ещё требует большой доработки.
Во время выступления о нём на ежегодном саммите Американского физического общества в Денвере Цао пошутил, что он был единственным докладчиком, который на самом деле не изучал квантовую гравитацию. Это потому, что его код всё ещё очень общий. Он не описывает тот вид пространства, в котором мы живём, не улавливает конкретные реакции, описанные Эйнштейном, и не включает тиканье времени.
Код — это скорее доказательство концепции общей формы, которую должна принять теория квантовой гравитации. Если вы хотите, чтобы ваше пространство искривлялось, используйте магический код. «Это даёт вам предшественник гравитации, — сказал Цао. — Вы удовлетворяете одному из необходимых условий. Прямо сейчас мы находимся на шаге 0,5 из 5».
Но даже на этом раннем этапе программа исследований высвечивает некоторые удивительные особенности, которые должна иметь любая теория квантовой гравитации.
Эйнштейн и Уилер думали о пространстве-времени как о большой, не имеющей особенностей ткани, существующей с фиксированными изгибами и складками — типичный классический объект. Но теперь физики узнают, что две определяющие особенности квантовой механики, запутанность и магия, соответствуют двум определяющим особенностям пространства, его форме и его гибкости. Это предполагает, что само пространство является одной из самых квантовых вещей, которые можно себе представить. «Все знакомые аспекты гравитации на самом деле являются очень прямым проявлением чего-то квантового», — сказал Свингл.
Это также предполагает, что гравитация является результатом несовершенного квантового кодирования. Немагические коды производят инертные, свободные от гравитации пространства, потому что они идеально защищают свою закодированную информацию. Цао и его сотрудники показали, что гравитация возникает из-за смешивания закодированной информации. Таким образом, по необходимости, кодирование должно быть приблизительным, и, следовательно, некоторые аспекты того, что происходит в пространстве-времени, не могут быть идеально восстановлены путём измерения подмножества квантовых частиц обычным способом. Это приближение, которое указывало бы на плохо написанный код для квантового компьютера, является «причиной, по которой ньютоновское яблоко упало на него», — сказал Чек.
Цао, со своей стороны, находит эту особенность привлекательной. Квантовая коррекция ошибок и квантовые вычисления — это человеческие занятия, сказал он. Он не видит причин, по которым гравитация должна соответствовать человеческому предубеждению в пользу совершенства.
Вопрос остаётся открытым. Если запутанность строит пространство-время, а магия придаёт ему гравитацию, — то что это говорит о природе реальности? Является ли гравитация не фундаментальной силой, а скорее проявлением несовершенного квантового кодирования? И могут ли квантовые компьютеры однажды смоделировать саму ткань космоса, как только учёные освоят «магию» в достаточном количестве?
