如果我们周围的一切只是......全息图会怎么样？它可能是--密歇根大学的一位物理学家正在使用量子计算和机器学习来更好地理解这个被称为全息二象性的想法 。全息二象性是一个数学猜想 ， 它将粒子及其相互作用的理论与引力理论联系起来 。
这个猜想表明 ， 引力理论和粒子理论在数学上是等价的：引力理论中发生的事情在数学上会发生在粒子理论中 ， 反之亦然 。两种理论都描述了不同的维度 ， 但它们所描述的维度数量却相差一个 。因此 ， 在黑洞的形状内 ， 如引力存在于三个维度 ， 而粒子理论存在于两个维度 ， 在其表面--平坦的圆盘 。
为了设想这一点 ， 再想想黑洞 ， 由于其巨大的质量 ， 它扭曲了时空 。存在于三维空间的黑洞的引力 ， 在数学上与在它上面跳舞的二维空间的粒子相联系 。因此 ， 黑洞存在于三维空间中 ， 但我们看到它则是通过粒子投射的 。


文章图片

一些科学家推测 ， 我们的整个宇宙是粒子的全息投影 ， 这可能导致一致的量子引力理论 。
“在爱因斯坦的广义相对论中 ， 没有粒子 ， 只有时空 。而在粒子物理学的标准模型中 ， 没有引力 ， 只有粒子 ， ”马萨诸塞州大学物理系的研究科学家Enrico Rinaldi说道 ， “将两种不同的理论联系起来是物理学中一个长期存在的问题--自上个世纪以来人们一直在努力做这件事 。”
在发表在《PRX Quantum》上的一项研究中 ， Rinaldi及其合作者研究了如何利用量子计算和深度学习来探测全息二象性以找到被称为量子矩阵模型的数学问题的最低能量状态 。
这些量子矩阵模型是粒子理论的代表 。由于全息二重性表明 ， 在一个代表粒子理论的系统中发生的事情 ， 在数学上同样会影响到代表引力的系统 ， 解决这样的量子矩阵模型可以揭示关于引力的信息 。
在这项研究中 ， Rinaldi和他的团队使用了两个简单到可以用传统方法解决的矩阵模型 ， 但它们具有用于通过全息二象性描述黑洞的更复杂矩阵模型的所有特征 。
“我们希望通过数值实验了解这种粒子理论的特性 ， 我们能了解一些关于引力的东西 ， ”Rinaldi说道 ， “遗憾的是 ， 要解决粒子理论仍然不容易 。而这正是计算机可以帮助我们的地方 。”
这些矩阵模型是代表弦理论中物体的数字块 ， 这是一个框架 ， 其中粒子理论中的粒子由一维弦表示 。当研究人员解决像这样的矩阵模型时 ， 他们正试图找到系统中代表系统最低能量状态（称为基态）的粒子的具体配置 。在基态下 ， 系统不会发生任何变化 ， 除非你向它添加一些东西来扰动它 。
Rinaldi说道：“了解这个基态是什么样子真的很重要 ， 因为这样你就可以从中创造出东西 。因此 ， 对于一种材料来说 ， 知道基态就像知道 ， 比如如果它是一个导体或如果它是一个超导体或如果它真的很强或如果它很弱 。但在所有可能的状态中找到这个基态是一个相当困难的任务 。这就是为什么我们要使用这些数字方法 。”
【科学探索|黑洞里有什么？物理学家用量子计算探测全息二象性来寻找答案】