ماذا يوجد داخل الثقب الأسود؟ أجهزة الكمبيوتر الكمومية قد تكون قادرة على محاكاتها!

ومع ذلك، أشار الخبراء إلى أن هذه التقنيات ليست أدوات معممة - ستكون فقط قفزة كبيرة إلى الأمام في قوة الكمبيوتر للخوارزميات المتخصصة للغاية، ونادرا ما تكون قادرة على العمل على المشكلة نفسها. وأحد الأمثلة على المكان الذي يمكن أن تعمل فيه معا هو نمذجة إجابة واحدة من أصعب المشاكل في الفيزياء: كيف ترتبط النسبية العامة بالنموذج القياسي؟.

يعتقد فريق بقيادة باحثين في جامعة ميشيغان وRIKEN أنهم ربما طوروا مثل هذه الخوارزمية. لا توجد أماكن كثيرة حيث يتصادم نموذجا الفيزياء العظيمان، ولكن يوجد أحدهما حول الثقب الأسود.

وتعد الثقوب السوداء بحد ذاتها آبار جاذبية ضخمة تحكمها بالكامل الفيزياء التي تحددها النسبية العامة. ومع ذلك، هناك جسيمات لا حصر لها تدور حول آفاق الحدث الخاصة بها والتي تكون محصنة بشكل فعال ضد الجاذبية ولكنها تندرج تحت هيكل النموذج القياسي، الذي يتعامل مباشرة مع فيزياء الجسيمات.

وكانت هناك نظرية طويلة الأمد مفادها أن حركات وتسارع الجسيمات فوق الثقب الأسود مباشرة قد تكون إسقاطا ثنائي الأبعاد لما يفعله الثقب الأسود نفسه في ثلاثة أبعاد.

ويُطلق على هذا المفهوم اسم الازدواجية الثلاثية الأبعاد وقد يوفر طريقة للبحث عن تلك الواجهة الحاسمة بين النسبية (أي فيزياء الثقب الأسود) والنموذج القياسي (أي فيزياء الجسيمات).

وعلى الرغم من ذلك، فإن الازدواجية الثلاثية الأبعاد نفسها تمثل تحديا لنمذجة خوارزميات الحوسبة الحديثة. لذا حاول إنريكو رينالدي، الفيزيائي في جامعة ميشيغان وRIKEN، تطوير نموذج جديد يستخدم هاتين البنيتين الحوسبيتين الفائقين للغاية - الحوسبة الكمومية والتعلم الآلي.

ويمكن أن تكون الحوسبة الكمومية نفسها مفيدة في نمذجة فيزياء الجسيمات، حيث تخضع بعض الفيزياء التي تقوم عليها منصة الحوسبة نفسها لتلك القوانين الفيزيائية الغريبة جدا بالنسبة لنا على نطاق واسع.

وفي هذه الحالة، استخدم الدكتور رينالدي وفريقه خوارزمية تعمل على جهاز كمبيوتر كمي لمحاكاة الجسيمات التي تشكل جزء المشروع من ثنائية الثلاثية الأبعاد.

وللقيام بذلك، استخدموا مفهوما يسمى نموذج مصفوفة الكم. وكما هو الحال مع العديد من عمليات المحاكاة الفيزيائية، كان الهدف النهائي من المحاكاة هو العثور على أقل حالة طاقة في النظام.

وستساعد نماذج المصفوفة الكمومية بشكل فعال في حل مشاكل التحسين التي قد تجد أقل حالة طاقة لأنظمة الجسيمات المسقطة فوق الثقب الأسود. والخوارزميات التي تستخدم الكمبيوتر الكمومي ليست هي الطريقة الوحيدة للعثور على تلك "الحالات الأرضية"، حيث يُطلق على أدنى حالة طاقة في النظام. وهناك طريقة أخرى تتمثل في استخدام نوع من تقنيات الذكاء الاصطناعي يسمى الشبكة العصبية. وتستند هذه حول استخدام أنظمة مماثلة لتلك الموجودة في أدمغة الإنسان.

وطبق الفريق هذه الخوارزميات على نوع من نماذج المصفوفة لا يزال يعتمد على الأفكار الكمومية ولكنه لا يتطلب الحوسبة الكمومية.

وتُعرف هذه باسم دالة الموجة الكمومية، وهي تمثل مرة أخرى نشاط الجسيمات على سطح الثقب الأسود. ومرة أخرى، تمكنت خوارزمية الشبكة العصبية من حل مشكلة التحسين والعثور على "الحالة الأساسية" الخاصة بها.

ووفقا لرينالدي، تمثل هذه التقنيات الجديدة تحسنا كبيرا في الجهود السابقة الأخرى لحل هذه الخوارزميات. وقال رينالدي في بيان صحفي: "الأساليب الأخرى التي يستخدمها الناس عادة يمكن أن تجد طاقة الحالة الأرضية، ولكن ليس الهيكل الكامل لوظيفة الموجة".

وما يعنيه هذا لفهم ما بداخل الثقب الأسود، أو الواجهة بين النموذج القياسي والنسبية العامة، لا يزال قليل من الصندوق الأسود. ونظريا، يجب أن تكون هناك طريقة لنمذجة الثقب الأسود من الداخل باستخدام أنواع وظائف الموجات الكمومية التي تحددها هذه الخوارزميات.

لكن هذا العمل، الذي يمكن أن يؤدي إلى نظرية الكم الأساسية للجاذبية وفقا لرينالدي، لا يزال يتعين القيام به. ومع استمرار انتشار أبنية الحوسبة المفبركة هذه، فمن المؤكد تقريبا أن شخصا ما سيحاول تسليط بعض الضوء على هذا الصندوق الأسود.