Fizičar sa Odjela za fiziku Sveučilišta Michigan, Enrico Rinaldi i njegovi kolege koriste kvantno računanje i strojno učenje kako bi bolje razumjeli ideju hologramske dualnosti.
Hologramska dualnost
Hologramska dualnost je matematička pretpostavka koja povezuje teorije čestica i njihove interakcije s teorijom gravitacije. Ova pretpostavka sugerira da su teorija gravitacije i teorija čestica matematički ekvivalentne: ono što se matematički događa u teoriji gravitacije događa se u teoriji čestica, i obrnuto.
Obje teorije opisuju različite dimenzije, ali broj dimenzija koje opisuju razlikuje se za jednu. Tako unutar crne rupe gravitacija postoji u tri dimenzije, dok teorija čestica postoji u dvije dimenzije, na njenoj površini. Gravitacija crne rupe postoji u tri dimenzije i matematički se povezuje s česticama koje se nalaze ponad nje u dvije dimenzije. Dakle, crna rupa postoji u trodimenzionalnom prostoru, ali je vidimo projiciranom kroz čestice. Neki znanstvenici smatraju da je cijeli naš svemir hologramska projekcija čestica, što bi moglo dovesti do dosljedne kvantne teorije gravitacije.
“U Einsteinovoj općoj teoriji relativnosti ne postoje čestice, već postoji samo prostor-vrijeme. A u Standardnom modelu fizike čestica nema gravitacije, postoje samo čestice”, objašnjava Rinaldi. “Povezivanje dviju različitih teorija je dugoročni problem u fizici odnosno nešto što ljudi pokušavaju riješiti još od prošlog stoljeća.”
https://kozmos.hr/elon-musk-smatra-da-zivimo-u-simulaciji/
Modeli kvantne matrice
U novoj studiji, Rinaldi i njegovi kolege ispituju hologramsku dualnost pomoću kvantnog računanja i dubokog učenja kako bi pronašli najniže energetsko stanje matematičkih problema nazvanih modeli kvantne matrice. Ovi modeli kvantne matrice zapravo su prikazi teorije čestica. Budući da hologramska dualnost sugerira da će ono što se događa matematički u sustavu koji predstavlja teoriju čestica na sličan način utjecati na sustav koji predstavlja gravitaciju, rješavanje takvog modela kvantne matrice moglo bi otkriti informacije o gravitaciji.
Za istraživanje, Rinaldi i njegov tim koristili su dva matrična modela dovoljno jednostavna da se riješe tradicionalnim metodama, ali koja imaju sve značajke kompliciranijih matričnih modela koji se koriste za opisivanje crnih rupa kroz hologramsku dualnost. “Nadamo se da ćemo razumijevanjem svojstava ove teorije čestica kroz numeričke eksperimente, razumjeti nešto više o gravitaciji”, dodao je Rinaldi. “Nažalost, još uvijek nije lako riješiti teorije čestica, ali tu nam mogu pomoći računala.”
Ovi matrični modeli su blokovi brojeva koji predstavljaju objekte u teoriji struna, što je ujedno i okvir u kojem su čestice u teoriji čestica predstavljene jednodimenzionalnim nizovima. Kada istraživači rješavaju matrične modele poput ovih, pokušavaju pronaći specifičnu konfiguraciju čestica u sustavu koje predstavljaju najniže energetsko stanje sustava, tzv. osnovno stanje. U osnovnom stanju, sustavu se ništa ne događa osim ako mu ne dodate nešto što će ga poremetiti.
“Stvarno je važno razumjeti kako ovo osnovno stanje djeluje jer temeljem njega možete kreirati druge stvari”, rekao je Rinaldi. “Pronaći ovo osnovno stanje među svim mogućim stanjima prilično je težak zadatak. Zato i koristimo numeričke metode.”
Kvantni krugovi
Brojeve u matričnim modelima možemo zamislit kao zrnca pijeska, kaže Rinaldi. Kada je pijesak ravan, to je osnovno stanje modela. Ali ako u pijesku ima mreškanja, moramo pronaći način da ih izravnamo. Kako bi to riješili, istraživači su prvo pogledali kvantne sklopove. U ovoj metodi kvantni krugovi su predstavljeni žicama, a svaki kubit, ili bit kvantne informacije, jest žica. Na vrhu žica nalaze se vrata – kvantne operacije koje diktiraju kako će informacije prolaziti niz žice.
“Možete ih čitati kao glazbu, idući s lijeva na desno”, rekao je Rinaldi. “Ako ih čitate kao glazbu, u osnovi pretvarate kubite s početka u nešto novo svakim korakom. Ali ne znate koje bi operacije trebali raditi dok idete odnosno koje note svirati. Proces protresanja će podesiti sva ta vrata kako bi poprimila ispravan oblik tako da na kraju cijelog procesa dođete do osnovnog stanja. Dakle, imate svu ovu glazbu, i ako je odsvirate kako treba, na kraju, imate osnovno stanje.”
Neuralne mreže i duboko učenje
Istraživači su zatim htjeli usporediti korištenje ove metode kvantnog kruga s korištenjem metode dubokog učenja. Duboko učenje je vrsta strojnog učenja koja koristi pristup neuralne mreže tj. niz algoritama koji pokušavaju pronaći odnose u podacima, slično kao što ljudski mozak funkcionira. Neuralne mreže koriste se za dizajniranje softvera za prepoznavanje lica na način da se skenira tisuće slika lica iz kojih mreže zatim nalaze određene orijentire kako bi prepoznali druga lica ili generirali nova koja trenutno ne postoje.
U Rinaldijevoj studiji, istraživači definiraju matematički opis kvantnog stanja svog matričnog modela kao kvantnu valnu funkciju. Zatim koriste posebnu neuralnu mrežu kako bi pronašli valnu funkciju matrice s najnižom mogućom energijom odnosno njeno osnovno stanje. Brojevi neuralne mreže prolaze kroz iterativni proces “optimizacije” kako bi se pronašlo osnovno stanje matričnog modela, tapkajući po kanti pijeska kako bi se sva njegova zrnca izravnala.
U oba pristupa, istraživači su uspjeli pronaći osnovno stanje oba modela matrice koje su ispitali, ali kvantni krugovi su ograničeni malim brojem kubita. Trenutni kvantni hardver može podnijeti tek nekoliko desetaka kubita. Drugim riječima, dodavanje novih redaka nota vašoj glazbi postaje skupo, a što više dodajete, manje precizno možete reproducirati glazbu.
https://kozmos.hr/pravi-matrix-fizicar-kaze-da-je-svemir-vjerojatno-neuronska-mreza/
Korak prema ostvarenju kvantne teorije gravitacije
“Druge metode koje ljudi obično koriste mogu pronaći energiju osnovnog stanja, ali ne i cijelu strukturu valne funkcije”, rekao je Rinaldi. “Pokazali smo kako dobiti potpune informacije o osnovnom stanju koristeći nove tehnologije koje su tek u nastajanju: kvantna računala i duboko učenje. Budući da su ove matrice jedan od mogućih prikaza za posebnu vrstu crnih rupa, ako znamo kako su matrice raspoređene i koja su njihova svojstva, možemo znati kako crna rupa izgleda iznutra. Što se nalazi na horizontu događaja za crnu rupu i odakle dolazi? Odgovori na ova pitanja bili bi korak prema ostvarenju kvantne teorije gravitacije.”
Rezultati, smatra Rinaldi, predstavljaju važan temelj za budući rad na algoritmima kvantnog i strojnog učenja kojeg istraživači onda mogu koristiti za proučavanje kvantne gravitacije kroz ideju hologramske dualnosti. Rinaldi, zajedno sa svojim kolegama, sada radi na proučavanju kako bi se rezultati ovih algoritama mogu skalirati na veće matrice, kao i koliko su robusni protiv uvođenja “bučnih” učinaka ili smetnji koje mogu dovesti do pogrešaka.
Pridružite se raspravi u našoj Telegram grupi. KOZMOS Telegram
Izvori:
Ja sam Matija Klarić.
Student sam Ekonomskog fakulteta, a u slobodno se vrijeme bavim volonterstvom te istraživanjem, čitanjem i pisanjem o mojim omiljenim temama; svemiru, astronomiji, astrofizici i tehnologiji.
