En undersøgelse af den skiftende opførsel af en enkelt kvantbit gennem tiden har afsløret en fristende lighed med geometrien i tredimensionelt rum
Nogle fysikere sætter spørgsmålstegn ved ideen om rumtid
Fysikere fra det 19. århundrede antog, at rummet var adskilt fra tiden – og to forskere har nu mistanke om, at de havde ret i at gøre det. Deres konklusion, der kommer fra at overveje quubitsens opførsel, sætter spørgsmålstegn ved den nu dominerende idé om, at fire-dimensionel rumtid er det grundlæggende stof i den fysiske virkelighed.
En qubit er et objekt, der har to mulige tilstande – for eksempel to forskellige spins. Fordi det er kvante, kan en qubit også eksistere i kombinationer af disse tilstande, som ethvert velkendt objekt aldrig kunne påtage sig – et fænomen kendt som en superposition.
I årevis har fysikere fundet, at matematikken i Qubit -stater var “ekstremt suggererende” af en eller anden dybere forbindelse til geometrien for rummet, siger Vlatko Vedral ved University of Oxford. Nu har han og James Fullwood ved Hainan University i Kina fremsat et matematisk argument for, hvordan rumets geometri kan kodes i en Qubits opførsel i tide.
De startede med en matematisk model for en enkelt qubit, som en eksperimentator kan underkaste sig en sekvens af målinger i løbet af et givet tidsrum. Inden for denne model – og uden at antage noget om Qubit’s oprindelige tilstand – analyserede de, hvad sammenhængen mellem resultaterne af sådanne målinger ville være, når de overvejes på tværs af forskellige tidsintervaller. Processen er lidt som at analysere, om det, som Qubit laver i dag, er relateret til, hvad den gjorde i løbet af de foregående 24 timer, eller til det, det gjorde i løbet af de foregående 48 timer, og så videre.
De fandt, at strukturen af disse korrelationer var matematisk svarende til tredimensionelt rum. Specifikt fra en Qubits opførsel gennem tid hentede forskerne en formel til måling af afstande i rummet-den såkaldte “euklidiske metrisk”.
Vedral siger, at den geometri af rummet, som vi lever i, er mere kompliceret end den version, de afslørede gennem deres beregninger af qubits opførsel gennem tiden. Men at hente den euklidiske metrisk fra en sådan minimal opsætning og uden forudgående viden om qubit kunne stadig være en indikation af, at rummet er relateret til tid og kvanteinformation. ”Det er interessant, at en enkelt qubit er tilstrækkelig til faktisk at få fuldt tredimensionelt euklidisk rum,” siger han.
Men der er en anden fristende implikation i arbejdet: den gang er på en eller anden måde adskilt fra rummet, fordi sidstnævnte geometri kan stammer fra det. Rum og tid betragtes typisk som komponenter i et fire-dimensionelt kontinuum, vi kender som rumtid, hvilket ligger til grund for vores fysiske verden. At rive dem fra hinanden ville krænke lovene i Albert Einsteins særlige relativitet, og som sådan er det en kontroversiel idé blandt fysikere.
Der er dog andre forskere, der hævder, at rum og tid skal adskilles. For eksempel siger Lee Smolin ved omkredsinstituttet i Canada, at tiden efter hans opfattelse er mere grundlæggende end rummet. Han tænker dog ikke på tid, der findes på en måde, der kan fanges med ligningerne i den nye undersøgelse. Hans hypotese, som heller ikke er mainstream, er, at “tiden ikke er noget, der er frosset eller har brug for struktur”, men bør forstås som en række af de nuværende øjeblikke, der forekommer den ene efter den anden – uden fysisk meningsfuld eller viden, fortid eller fremtid.
Thomas Galley på Institute for Quantum Optics and Quantum Information i Wien, Østrig, siger, at det kan være intuitivt at tro, at tiden på en eller anden måde er forskellig fra rummet, simpelthen fordi vi oplever det som sådan. Men en grundig matematisk forståelse af, hvad det betyder i forbindelse med qubits, er stadig temmelig undvigende. F.eks. Påpeger Galley, at den nye undersøgelse, selv om den er interessant, ikke belyser en nøjagtig mekanisme, hvorpå rummet ville komme ud af quubit og tiden. Desuden er antagelsen om, at “Qubit Plus Time Equals Space” muligvis ikke er unik, da det kan vise sig at være muligt at bytte quubit til et mere kompliceret kvanteobjekt og stadig udtrække en euklidisk metrisk, siger Galley.
Vedral siger, at det kan være muligt at teste nogle af disse teoretiske ideer gennem eksperimenter i fremtiden. Ultracold kvanteobjekter kan antage, at superpositionstilstande som qubit i det nye arbejde, ligesom fysiske qubits, der ligner dem, der bruges i kvantecomputere. Men det er sandsynligt, at mange matematiske spørgsmål vil forblive-hvilket betyder, at fysikere stadig kan diskutere, hvordan vi skal tænke på rumtid i årene fremover. ”Det ser ud til, at rumtid godt kan være en fiktion, i den forstand, at det er en nyttig, praktisk måde for os at tale om ting, der sker i universet, men i den endelige analyse behøver du ikke rigtig det,” siger Vedral.