Interior de buraco negro é um holograma? Computador quântico e inteligência artificial checam

Com informações da Universidade de Michigan - 18/02/2022

Os métodos de simulação usados pela equipe se fundem com cada lado do espaço-tempo curvo para representar o fato de que as propriedades da gravidade saem das simulações.
[Imagem: Enrico Rinaldi/Umich/RIKEN/A. Silvestri]

Dualidade holográfica

E se tudo ao nosso redor fosse apenas... um holograma?

O problema é que pode ser - e uma equipe de físicos do Japão e dos EUA está usando computação quântica e aprendizado de máquina para entender melhor a ideia, chamada dualidade holográfica - ou simplesmente universo holográfico.

A dualidade holográfica é uma conjectura matemática que conecta as teorias das partículas e suas interações, conhecidas conjuntamente como Modelo Padrão da Física, com a teoria da gravidade de Einstein. Essa conjectura sugere que a teoria da gravidade e a teoria das partículas são matematicamente equivalentes: O que acontece matematicamente na teoria da gravidade acontece na teoria das partículas e vice-versa.

As duas teorias descrevem dimensões diferentes, mas o número de dimensões que elas descrevem difere em apenas uma. Assim, dentro da forma de um buraco negro, por exemplo, a gravidade existe em três dimensões, enquanto uma teoria de partículas existe em duas dimensões, em sua superfície - um disco plano.

Para visualizar isso, pense novamente no buraco negro, que distorce o espaço-tempo por causa de sua imensa massa. A gravidade do buraco negro, que existe em três dimensões, se conecta matematicamente às partículas que dançam acima dele, em duas dimensões. Portanto, um buraco negro existe em um espaço tridimensional, mas nós o vemos como projetado através de partículas.

Alguns cientistas teorizam que todo o nosso Universo segue o mesmo princípio, sendo uma projeção holográfica de partículas, e isso pode levar a uma teoria quântica consistente da gravidade.

"Na teoria da Relatividade Geral de Einstein, não há partículas - há apenas espaço-tempo. E, no Modelo Padrão da física de partículas, não há gravidade, há apenas partículas," explica Enrico Rinaldi, da Universidade de Michigan, nos EUA. "Conectar as duas teorias diferentes é uma questão de longa data na física - algo que as pessoas tentam fazer desde o século passado."

Recentemente, novos dados deram um suporte inesperado à Teoria do Universo Holográfico.
[Imagem: Paul McFadden]

Em busca do estado fundamental

Como não há supercomputadores poderosos o suficiente para simular tudo isso, Rinaldi e seus colegas estão avaliando como investigar a dualidade holográfica usando computadores quânticos e aprendizado profundo para resolver os problemas matemáticos, que essencialmente envolvem encontrar o estado de energia mais baixo de sistemas chamados modelos de matriz quântica.

Esses modelos de matriz quântica são representações da teoria de partículas. Como a dualidade holográfica sugere que o que acontece - matematicamente - em um sistema que representa a teoria das partículas afetará da mesma forma um sistema que representa a gravidade, resolver esse modelo de matriz quântica pode revelar informações sobre a gravidade.

A equipe usou dois modelos de matriz simples o suficiente para serem resolvidos usando métodos tradicionais, mas que possuem todas as características de modelos de matriz mais complicados, usados para descrever buracos negros através da dualidade holográfica.

Esses modelos de matriz são blocos de números que representam objetos na teoria das cordas, que é uma estrutura na qual as partículas na teoria das partículas são representadas por cordas unidimensionais infinitesimalmente pequenas. Quando os pesquisadores resolvem modelos de matriz como esses, eles estão tentando encontrar a configuração específica das partículas que representa o estado de energia mais baixo do sistema, chamado de estado fundamental. No estado fundamental, nada acontece ao sistema, a menos que você adicione algo a ele que o perturbe.

Você pode pensar nos números nos modelos de matriz como grãos de areia, compara Rinaldi. Quando a areia está nivelada, esse é o estado fundamental do modelo. Mas, se houver ondulações na areia, você precisa encontrar uma maneira de nivelá-las. Por exemplo, colocar a areia em um balde e bater no balde.

"É realmente importante entender como é esse estado fundamental, porque assim você pode criar coisas a partir dele," detalhou Rinaldi. "Então, para um dado material, conhecer o estado fundamental é como saber, por exemplo, se ele é um condutor, ou se é um supercondutor, ou se é realmente forte ou fraco. Mas encontrar esse estado fundamental entre todos os estados possíveis é uma tarefa bastante difícil. É por isso que estamos usando esses métodos numéricos."

Este experimento, chamado Holômetro, quer responder se o Universo é mesmo um holograma.
[Imagem: Fermilab]

Circuitos quânticos

Para fazer isso, os pesquisadores primeiro olharam para circuitos quânticos. Neste método, os circuitos quânticos são representados por fios, e cada qubit, ou bit de informação quântica, é um fio. No topo dos fios estão as portas lógicas, que são operações quânticas ditando como a informação passará pelos fios.

"Você pode lê-los como música, indo da esquerda para a direita," explica Rinaldi. "Se você lê isso como música, você está basicamente transformando os qubits em algo novo a cada passo. Mas você não sabe quais operações você deve fazer à medida que avança, quais notas tocar. O processo de agitação [como no balde de areia] irá ajustar todas essas portas lógicas para fazê-las tomar a forma correta, de modo que, no final de todo o processo, você alcance o estado fundamental. Então você tem toda essa música, e se você tocar direito, no final, você tem o estado fundamental."

Aprendizado profundo

Os pesquisadores queriam então comparar o uso desse método de circuito quântico com o uso de um método de aprendizado profundo. O aprendizado profundo é um tipo de inteligência artificial que usa uma abordagem de rede neural, uma série de algoritmos que tenta encontrar relacionamentos nos dados, de modo semelhante ao funcionamento do cérebro humano.

As redes neurais são usadas para projetar softwares de reconhecimento facial, alimentando milhares de imagens de rostos - das quais desenham pontos de referência particulares do rosto para reconhecer imagens individuais ou gerar novos rostos de pessoas que não existem.

Para começar, a equipe definiu a descrição matemática do estado quântico do seu modelo de matriz, chamado de função de onda quântica. Em seguida, eles usaram uma rede neural especial para encontrar a função de onda da matriz com a menor energia possível - seu estado fundamental. Os números da rede neural passam por um processo de "otimização" iterativo para encontrar o estado fundamental do modelo de matriz, como se eles estivessem batendo no balde de areia para que todos os seus grãos ficassem nivelados.

Outros físicos já haviam proposto que buracos negros podem ser hologramas.
[Imagem: Gerd Altmann/Pixabay]

Buraco negro holográfico

Ambas as abordagens encontraram o estado fundamental de ambos os modelos de matriz que foram examinados.

"Outros métodos que as pessoas normalmente usam podem encontrar a energia do estado fundamental, mas não toda a estrutura da função de onda. Mostramos como obter todas as informações sobre o estado fundamental usando essas novas tecnologias emergentes, computadores quânticos e aprendizado profundo.

Contudo, os circuitos quânticos ficaram limitados pelo pequeno número de qubits disponíveis. O hardware quântico atual só consegue lidar com algumas dezenas de qubits: Adicionar linhas à sua partitura ou grãos de areia ao seu balde se torna caro e, quanto mais você adiciona, com menos precisão você pode tocar a música.

Mas o que esses resultados nos dizem sobre o holograma dentro do buraco negro?

"Como essas matrizes são uma representação possível para um tipo especial de buraco negro, se soubermos como as matrizes estão organizadas e quais são suas propriedades, podemos saber, por exemplo, como é um buraco negro por dentro. O que está no horizonte de eventos de um buraco negro? De onde ele vem? Responder a essas perguntas seria um passo rumo à elaboração de uma teoria quântica da gravidade," disse Rinaldi.

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