Zespół badawczy eksperymentuje z obwodem elektrycznym, aby zbadać kwantowe właściwości grawitacji, mając na celu rozwój zarówno fizyki teoretycznej, jak i technologii przetwarzania sygnałów.
Naukowcy z Cluster of Excellence ct.qmat opracowali metodę modelowania centralnej teorii grawitacji kwantowej w laboratorium. Ich cel: rozszyfrowanie niewyjaśnionych wcześniej zjawisk w świecie kwantowym.
Zrozumienie grawitacji kwantowej: wypełnianie luki
Grawitacja nie jest już tajemnicą dla fizyków – przynajmniej jeśli chodzi o duże odległości: dzięki nauce możemy obliczać orbity planet, przewidywać pływy i precyzyjnie wysyłać rakiety w przestrzeń kosmiczną. Jednak teoretyczny opis grawitacji osiąga swoje granice na poziomie najmniejszych cząstek, tzw. poziomie kwantowym.
„Aby wyjaśnić Wielki Wybuch lub wnętrze czarnych dziur, musimy zrozumieć kwantowe właściwości grawitacji” – wyjaśnia profesor Johanna Erdmenger, katedra Fizyki Teoretycznej III na Uniwersytecie w Würzburgu (JMU) w Bawarii w Niemczech. „Przy bardzo wysokich energiach klasyczne prawa grawitacji zawodzą. Dlatego naszym celem jest przyczynienie się do rozwoju nowych teorii, które mogą wyjaśnić grawitację we wszystkich skalach, w tym na poziomie kwantowym.”
Rola korespondencji AdS/CFT w grawitacji kwantowej
„Korespondencja AdS/CFT”, centralna teoria grawitacji kwantowej, odgrywa ważną rolę w opracowywaniu nowych modeli. Stwierdza, że złożone teorie grawitacyjne w przestrzeni wielowymiarowej można opisać prostszymi teoriami kwantowymi na granicy tej przestrzeni.
[Explanation: “AdS” stands for “Anti-de-Sitter,” a special type of spacetime that is curved inward, like a hyperbola. “CFT“ stands for “conformal field theory,“ a theory that describes quantum physical systems whose properties are the same at all spatial distances.]
„Na pierwszy rzut oka wydaje się to bardzo skomplikowane, ale łatwo je wyjaśnić” – mówi Erdmenger. „Korespondencja AdS/CFT pozwala nam zrozumieć trudne procesy grawitacyjne, jakie zachodzą w świecie kwantowym, przy użyciu prostszych modeli matematycznych. W jego sercu znajduje się zakrzywiona czasoprzestrzeń, którą można traktować jako lejek. Z korespondencji wynika, że dynamika kwantowa na krawędzi lejka musi odpowiadać bardziej złożonej dynamice wewnątrz – podobnie jak hologram na banknocie, który generuje trójwymiarowy obraz, chociaż sam jest tylko dwuwymiarowy.
Eksperymentalne podejścia do grawitacji kwantowej
Razem ze swoim zespołem Erdmenger opracowała teraz metodę eksperymentalnego testowania przewidywań wcześniej niepotwierdzonej zgodności AdS/CFT: rozgałęziony obwód elektryczny służy do imitowania zakrzywionej czasoprzestrzeni – sygnały elektryczne w poszczególnych punktach rozgałęzień obwodu odpowiadają do dynamiki grawitacyjnej, którą można znaleźć w różnych punktach czasoprzestrzeni. Teoretyczne obliczenia zespołu badawczego pokazują, że w proponowanym obwodzie dynamika na krawędzi naśladowanej czasoprzestrzeni odpowiada również dynamikom wewnątrz – w ten sposób obwód może centralnie przewidywać zgodność AdS/CFT.
Postęp technologii poprzez eksperymenty kwantowe
Kolejnym krokiem zespołu badawczego z Würzburga jest teraz wprowadzenie w życie układu eksperymentalnego opisanego w badaniu. Oprócz znacznych postępów w badaniach grawitacyjnych może to również doprowadzić do innowacji technicznych. „Nasze obwody otwierają także nowe zastosowania technologiczne” – wyjaśnia Erdmenger. „Oczekuje się, że w oparciu o technologię kwantową będą przesyłać sygnały elektryczne ze zmniejszonymi stratami, ponieważ symulowana krzywizna wiązek kosmicznych stabilizuje sygnały. Byłby to przełom w transmisji sygnału w wykorzystywanych sieciach neuronowych sztuczna inteligencjaNa przykład.”
Uniwersytet Alberty w Kanadzie, Instytut Fizyki Układów Złożonych im. Maxa Plancka w Dreźnie w Niemczech, Uniwersytet Alabamy w Tuscaloosa w USA oraz Katedra Fizyki Teoretycznej I na Uniwersytecie w Würzburgu w Niemczech współpracowały we współpracy partnerów w badaniu międzynarodowym. Wsparcie finansowe zapewniło Klaster Doskonałości w Würzburgu-Dreźnie „ct.qmat – Złożoność i topologia w materiałach kwantowych”.
Odniesienie: „Symulacja holograficznych teorii pola konforemnego na kratach hiperbolicznych” autorstwa Santanu Dey, Anffany Chen, Pablo Basteiro, Alexander Fritzsche, Martin Greiter, Matthias Kaminski, Patrick M. Lenggenhager, René Meyer, Riccardo Sorbello, Alexander Stegmaier, Ronny Thomale, Johanna Erdmenger i Igor Boettcher, 9 sierpnia 2024 r., Listy z przeglądu fizycznego.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.061603
