Πώς είναι να «κατασκευάζεις» μια σκουληκότρυπα σε κβαντικό υπερυπολογιστή της Google;

«Σα βγεις στον πηγαιμό για την Ιθάκη,/
να εύχεσαι να ‘ναι μακρύς ο δρόμος,/
γεμάτος περιπέτειες, γεμάτος γνώσεις»
Το ποίημα του Καβάφη δεν σταμάτησε ποτέ να κατοικεί στην καρδιά της. Φώλιασε εκεί όταν ήταν ακόμα παιδί και δεν έφυγε ποτέ. Της πρόσφερε θαλπωρή σε κάθε σταθμό του ταξιδιού της. Και ο δρόμος της ήταν γεμάτος περιπέτειες, γεμάτος γνώσεις. Βλέπετε, όταν ήταν μικρή έβαλε πλώρη να λύσει τα μυστήρια του σύμπαντος. Το Σύμπαν, η Ιθάκη της.

Η Μαρία Σπυροπούλου γεννήθηκε και μεγάλωσε στην Καστοριά. Οι αναμνήσεις της από το γυμνάσιο και το λύκειο είναι συνδεδεμένες με το αγαπημένο της κτίριο: τη δημοτική βιβλιοθήκη. Θυμάται να την πειράζει ο βιβλιοθηκάριος, ο κύριος Κώστας, ότι δεν διαβάζει πραγματικά όλα αυτά τα βιβλία.

Κι όμως, διάβαζε τα πάντα: μυθοπλασία, ιστορία, ποιήματα, περιπέτεια. Τη γοήτευε ο Ντοστογιέφσκι και ο Στάινμπεκ, ο Καβάφης και ο Ελύτης. Καταβρόχθιζε τις εγκυκλοπαίδειες, ιδιαίτερα τους τόμους με τις εφευρέσεις. Τα πρώτα 15 χρόνια της ζωής της τα πέρασε αποφασισμένη να εξερευνήσει το Σύμπαν, να φτάσει στο διάστημα.

Οι γονείς της ήταν, και εξακολουθούν να είναι, μεγάλοι υποστηρικτές των ονείρων της. «Θα πάω στην Αμερική, θα κάνω διδακτορικό, θα ανακαλύψω φαινόμενα, θα ταξιδέψω στο σύμπαν», έλεγε στον μπαμπά της. «200 χλμ είναι αρκετά, κάνουν ένα Σύμπαν: ο δρόμος σου είναι ο δρόμος για τη Θεσσαλονίκη. Αυτή είναι η Ιθάκη σου» της απαντούσε. Η μαμά ήταν η σύμμαχος: «η ιδέα ότι θα ήμουν τόσο μακριά την πονούσε, αλλά έλεγε “είναι για το καλό του Σύμπαντος” και γελούσαμε όλοι».

Recently, @overbye chatted with @maria and Michael Turner to discuss the state of particle physics and the priorities and challenges ahead. https://t.co/ZABuHqvsky

— NYTimes Tech (@nytimestech) January 24, 2023

Όταν αρίστευσε στο Λύκειο έλαβε ένα τηλεγράφημα από τον Πρόεδρο Σαρτζετάκη:
«Θερμά συγχαρητήρια για τη λαμπρή επιτυχία σας. Εύχομαι τα πρωτεία να σας συνοδεύουν πάντα. Περίπτωση όπως η δική σας, δικαιολογεί κάθε αισιοδοξία για το μέλλον της πατρίδας μας.
Και πάλι εύγε.
Χρήστος Α. Σαρτζετάκης, Πρόεδρος Δημοκρατίας».

Δημοσιογράφοι τηλεφώνησαν τότε στο σπίτι της Μαρίας ζητώντας μια δήλωση. Απάντησε πως είναι ακόμα νωρίς για δηλώσεις και τους ζήτησε «να ξανακαλέσουν όταν πάει στο Χάρβαρντ γιατί το ταξίδι της θα είναι μακρύ».

Στις 6 Αυγούστου του 1993 η μητέρα της ετοίμασε δύο βαλίτσες και μαζί με τον πατέρα της την πήγαν στο αεροδρόμιο της Θεσσαλονίκης. Είχε γίνει δεκτή στο διδακτορικό πρόγραμμα του Χάρβαρντ. Ένα βήμα πιο κοντά στην Ιθάκη της.

Στιγμιότυπο από τη συνέντευξη που παραχώρησε Μαρία Σπυροπούλου στους ΝΥΤ, η οποία δημοσιεύθηκε χθες.

Ως φοιτήτρια στο ΑΠΘ βυθίστηκε στην έρευνα και έκανε την πτυχιακή εργασία της στο Πυρηνικό Εργαστήριο. «Είχα καλούς δασκάλους και συναδέλφους, αλλά κυρίως είχα την τύχη να έχω μια αγαπημένη μέντορα και φίλη από τη Θεσσαλονίκη που είναι Καθηγήτρια Φυσικής, την Ελένη Παλούρα. Μόλις είχε επιστρέψει από το MIT και μαζί με την αδερφή της Κατερίνα με παρότρυναν για τη μεγάλη περιπέτεια, να συνεχίσω τις σπουδές μου στο εξωτερικό. Με την καθηγήτρια Παλούρα είχα την ευκαιρία να συνεργαστώ στα έργα της στο BESSY στο Βερολίνο στην επιστήμη των υλικών. Το να κάνω έρευνα ενώ ήμουν προπτυχιακή φοιτήτρια, ήταν σημαντικό και έμαθα πολλά».

Σειρά είχε το CERN. Μετακόμισε από τις ΗΠΑ στη Γενεύη και εργάστηκε εκεί ως ερευνήτρια για περίπου δέκα χρόνια. Μετά την ανακάλυψη του σωματιδίου Higgs επέστρεψε στις ΗΠΑ. Αν έπρεπε να συμπυκνώσει σε μερικές αράδες το ερευνητικό της έργο; «Τα τελευταία 20 χρόνια έχω επικεντρωθεί στο πείραμα Compact Muon Solenoid στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) του CERN, όπου ανακαλύψαμε το Higgs το 2012. Το μεγαλύτερο μέρος του ερευνητικού μου έργου βρίσκεται μεταξύ αυτών των δύο εργαστηρίων στοιχειώδους σωματιδιακής φυσικής, του Fermilab στις ΗΠΑ και του CERN στην Ευρώπη». 

Το πείραμα

Πίσω στο σήμερα, η Μαρία Σπυροπούλου ως επικεφαλής ομάδας επιστημόνων (Daniel Jafferis, Alexander Zlokapa, Joseph D. Lykken, David K. Kolchmeyer, Samantha I. Davis, Nikolai Lauk, Hartmut Neven) δημοσίευσε τον Νοέμβριο τα αποτελέσματα ενός μοναδικού πειράματος. Μαζί με την ομάδα της «κατασκεύασε» την πρώτη ολογραφική σκουληκότρυπα (Holographic Wormhole), χρησιμοποιώντας τον κβαντικό υπολογιστή Sycamore της Google, που στεγάζεται στο Google Quantum AI στη Σάντα Μπάρμπαρα της Καλιφόρνια.

Σύμφωνα με το επιστημονικό περιοδικό Quanta, η «σκουληκότρυπα είναι ένα είδος σήραγγας που θεωρητικοποιήθηκε το 1935 από τον Άλμπερτ Αϊνστάιν και τον Νέιθαν Ρόζεν και οδηγεί από το ένα μέρος στο άλλο περνώντας σε μια επιπλέον διάσταση του διαστήματος».

Τι έκανε λοιπόν η ομάδα της Μαρίας; Η σκουληκότρυπα που δημιούργησαν δεν είναι μια σήραγγα που υφίσταται στον πραγματικό φυσικό χώρο. Οι «μαύρες τρύπες» δεν ήταν πραγματικές, αλλά κώδικας σε έναν κβαντικό υπολογιστή.

Οχι, δεν υπήρξε ρήξη του φυσικού χωροχρόνου, μην πάει το μυαλό σας στο «Beam me up, Scotty» από το Star Trek ή ότι θα περιπλανηθείτε στον γαλαξία όπως ο Μάθιου ΜακΚόναχι στο «Interstellar».

Μετά τη δημοσιοποίηση των αποτελεσμάτων του πειράματος ακολούθησε ένα μπαράζ ανακοινώσεων για το επίτευγμα από τα κορυφαία CalTech, MIT, Wondros, Fermilab και τη Google. Έγινε εξώφυλλο στο έγκυρο Nature, ενώ Reuters, New York Times και Guardian δημοσίευσαν εκτενή ρεπορτάζ.

Οι Τάιμς της Νέας Υόρκης έγραψαν ότι το πείραμα καταπιάνεται με τα περισσότερα μυστήρια της σύγχρονης φυσικής (ticks most of the mystery boxes in modern physics). Το τηλεγράφημα του Ρόιτερς, ανέφερε ότι «Επιστήμονες “κατασκεύασαν” βρεφική σκουληκότρυπα, η επιστημονική φαντασία πλησιάζει στην πραγματικότητα».

Η υποδοχή του πειράματος ήταν τόσο ενθουσιώδης ώστε αρκετοί επιστήμονες αισθάνθηκαν ότι πρέπει να τονιστεί περισσότερο το γεγονός ότι «δεν πρόκειται για μια πραγματική σκουληκότρυπα που θα μπορούσε να μεταφέρει ανθρώπους στην Ανδρομέδα». 
Οι επικριτές της ερμηνείας του πειράματος, στους οποίους ανήκει ο Ντάνιελ Χάρλοου, φυσικός στο MIT, υποστήριξαν ότι το πείραμα βασίστηκε σε ένα μοντέλο κβαντικής βαρύτητας που ήταν τόσο απλό και μη ρεαλιστικό, που θα μπορούσε να έχει μελετηθεί χρησιμοποιώντας… μολύβι και χαρτί. Ωστόσο, παραδέχονται ότι είναι συναρπαστικό ως τεχνολογικό επίτευγμα, γιατί πλέον μπορούν να πειραματιστούν και με άλλες θεωρίες κβαντικής βαρύτητας.

Το βέβαιο είναι ότι το πείραμα της δικής μας Μαρίας Σπυροπούλου, μπήκε στη λίστα του έγκριτου Quanta Magazine με τις μεγαλύτερες ανακαλύψεις στη Φυσική για το 2022. Μεταξύ ομιλιών και συνεδρίων, η καθηγήτρια Φυσικής παραχώρησε συνέντευξη στην «Κ» και μίλησε για την Ελλάδα, τα όνειρά της και τους νέους. 
 
– Θα θέλατε να μας εξηγήσετε τι είναι το πείραμα και γιατί είναι σημαντικό;

Ένας από τους τομείς μελέτης της σύγχρονης θεμελιώδους φυσικής είναι η σύνδεση της βαρύτητας με την κβαντική φυσική. Οι θεωρητικοί φυσικοί Lenny Susskind του Stanford και Juan Maldacena του IAS, Princeton (2013) διατύπωσαν τη θεωρία ότι οι σκουληκότρυπες είναι ισοδύναμες με την κβαντική “διεμπλοκή”, ένα φαινόμενο κατά το οποίο δύο σωματίδια μπορούν να παραμείνουν συσχετισμένα σε τεράστιες αποστάσεις (βλ. Νόμπελ 2022). Υπέθεσαν ότι οι σκουληκότρυπες (ή “ER”) είναι ισοδύναμες με κβαντική συσχέτιση ή διεμπλοκή (γνωστή και ως “EPR” από τον Άλμπερτ Αϊνστάιν, τον Μπόρις Ποντόλσκι και τον Νέιθαν Ρόζεν σε έργα του προηγούμενου αιώνα (1935)).

Η ομάδα μου πραγματοποίησε πειραματικά αυτό το είδος δυναμικής σκουληκότρυπας σε μια κβαντική συσκευή της Google, τον κβαντικό επεξεργαστή Sycamore. Χρησιμοποιώντας κβαντικές πύλες, εισαγάγαμε ένα qubit σε ένα κβαντικό σύστημα και παρατηρήσαμε τις πληροφορίες που αναδύονταν από το άλλο σύστημα στον ίδιο κβαντικό επεξεργαστή. Τα αποτελέσματα συμφωνούν με τη συμπεριφορά που αναμένεται από ένα κβαντικό σύστημα που ισοδυναμεί με μια σκουληκότρυπα.
Η εργασία αυτή αποτελεί ένα βήμα προς ένα ευρύτερο πρόγραμμα διερεύνησης της βαρυτικής φυσικής με τη χρήση κβαντικού υπολογιστή και προσφέρει ένα ισχυρό πεδίο δοκιμών των ιδεών της κβαντικής βαρύτητας.

ΕΙΚΟΝΟΓΡΑΦΗΣΗ: Loukia Kattis

– Οι «σκουληκότρυπες» είναι μια ρήξη στο χώρο και τον χρόνο και θεωρούνται γέφυρα μεταξύ δύο απομακρυσμένων περιοχών στο σύμπαν, γνωστές ως γέφυρες Αϊνστάιν-Ρόζεν. Αυτό καταφέρατε να δημιουργήσετε στο εργαστήριό σας στο CalTech;

Η σκουληκότρυπα (ο όρος δόθηκε από τον John Wheeler) είναι μια θεωρητική γέφυρα χωροχρόνου μεταξύ δύο απομακρυσμένων περιοχών του σύμπαντος. Τέτοιες σκουληκότρυπες συνάδουν με τη θεωρία της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν, αλλά δεν έχουν παρατηρηθεί πειραματικά. Στην απλούστερη διαμόρφωσή τους, οι σκουληκότρυπες δεν επιτρέπουν σε τίποτα να περάσει: δεν είναι διαβατές. Οι μόνες γνωστές σκουληκότρυπες που είναι δυνατόν να διασχίζονται περιγράφονται επίσης από ένα ισοδύναμο κβαντικό σύστημα μέσω της ολογραφικής αρχής. Στο πείραμά μας δεν δημιουργήθηκε ρήξη του φυσικού χωροχρόνου. Συμπεράναμε ότι προέκυψε μια διαπερατή σκουληκότρυπα με βάση τη μετρούμενη κβαντική πληροφορία.
 
– Δηλαδή, το πείραμα πηγαίνει ένα βήμα παραπέρα το έργο του Αϊνστάιν, ενδεχομένως και του Στίβεν Χόκινς. Ποια θα λέγατε ότι είναι η σχέση του πειράματός σας με τη θεωρία της σχετικότητας;

Στην εργασία τους το 1935, οι Αϊνστάιν και Ρόζεν πρότειναν την ύπαρξη σκουληκότρυπων, επίσης γνωστών ως γέφυρες Einstein-Rosen (ER). Όπως έδειξε ο Kip Thorne του Caltech και πολλοί άλλοι, στην κλασική γενική σχετικότητα, οι σκουληκότρυπες μπορεί να υπάρχουν αλλά δεν είναι διαπερατές. Το 2016 ο Jafferis από το Χάρβαρντ (σ.σ.: ο οποίος συμμετείχε στο πείραμα) έδειξε ότι η προσθήκη ενός συγκεκριμένου είδους κβαντικού φαινομένου μπορεί να κάνει τις σκουληκότρυπες διαβατές. Η διελεύσιμη σκουληκότρυπα πραγματοποιείται ξεκινώντας από μια εκδοχή της μη διελεύσιμης γέφυρας Einstein-Rosen, η οποία έχει “αριστερές” και “δεξιές” περιοχές που αντιπροσωπεύουν τις εισόδους της σκουληκότρυπας. Το κβαντικό φαινόμενο που απαιτείται για να γίνει η σκουληκότρυπα διαβατή προέρχεται από την εφαρμογή μιας αλληλεπίδρασης που συνδέει αιτιωδώς τα αριστερά και δεξιά όρια. Αυτό το φαινόμενο είναι ισοδύναμο με έναν παλμό αρνητικής ενέργειας που μπαίνει στη σκουληκότρυπα. Όπως επεσήμανε ο Χόκινγκ το 1975, η ακτινοβολία Χόκινγκ από μια μαύρη τρύπα, όπως την βλέπει ένας παρατηρητής κοντά στον ορίζοντα, μοιάζει επίσης με παλμούς αρνητικής ενέργειας (που κατευθύνονται προς τη μαύρη τρύπα). Έτσι, ένα βασικό χαρακτηριστικό της κβαντικής δυναμικής που είναι υπεύθυνη για την ακτινοβολία Χόκινγκ είναι επίσης ένα βασικό χαρακτηριστικό αυτής της διαβατής σκουληκότρυπας, και μαζί αυτά τα φαινόμενα της φυσικής είναι από τα πιο ισχυρά αποτελέσματα που έχουν συλλεχθεί μέχρι στιγμής από την πολύ εκκολαπτόμενη κατανόηση της κβαντικής βαρύτητας.
 
–Ποιο θα λέγατε ότι είναι το πιο σημαντικό πράγμα του πειράματος που θα θέλατε να καταλάβουν οι αναγνώστες;

Ότι πρόκειται για την πρώτη επιτυχή προσπάθεια παρατήρησης της δυναμικής των διαπερατών σκουληκότρυπων σε πειραματικό περιβάλλον και ότι θα διεγείρει και θα επιτρέψει μελλοντικά πειράματα που θα εξετάζουν την αναδυόμενη κβαντική βαρύτητα.
 
– Ως τώρα, τη «σκουληκότρυπα» ως πύλη μεταφοράς και ταξιδιού στο χώρο και στο χρόνο την έχουμε δει σε ταινίες και σειρές επιστημονικής φαντασίας, όπως το «Interstellar» και το Star Trek. Πιστεύετε ότι θα έρθει κάποτε η ημέρα όπου οι ταινίες επιστημονικής φαντασίας θα πάψουν να είναι… φαντασία;

Η επιστημονική φαντασία έχει πιο πλούσια φαντασία από την επιστημονική φιλοδοξία, η οποία ως επί το πλείστον βασίζεται σε αποδεδειγμένες πραγματικότητες. Και οι δύο έχουν αξιοσημείωτο βαθμό δημιουργικότητας. Δεν θα δούμε σύντομα τεχνολογίες τύπου Star Trek ή Interstellar, αλλά θα συνεχίσουμε να παρακολουθούμε αυτές τις ταινίες κρατώντας την αναπνοή μας και αναρωτώμενοι τι είναι δυνατό και τι όχι.
 
– Να φανταστώ ότι η πρώτη ερώτηση που σας κάνει ο περισσότερος κόσμος είναι εάν πρόκειται για πραγματική «μαύρη τρύπα»;

Επειδή οι μαύρες τρύπες στη θεωρία μπορούν να συνδεθούν μέσω μιας σήραγγας ή γέφυρας στο χωροχρόνο, γνωστής ως σκουληκότρυπα, προκύπτει πράγματι το ερώτημα αν τα κβαντικά συστήματα στο πείραμά μας είναι ισοδύναμα με μαύρες τρύπες. Ερευνούμε ακόμη αν η φυσική των μαύρων οπών και των σκουληκότρυπων συνδέεται πράγματι με την κβαντική φυσική και υπάρχει μακρύς δρόμος μπροστά μας για την έρευνα.
 
– Ποιες μπορεί να είναι οι πιθανές μελλοντικές εφαρμογές του πειράματός σας; Τι δρόμους ανοίγει στην επιστημονική κοινότητα αλλά και στην κοινωνία;

Είναι μια εξαιρετική ερώτηση. Το 2018, όταν πρότεινα στο Υπουργείο Ενέργειας, Γραφείο Φυσικής Υψηλών Ενεργειών, αυτό το πειραματικό πρόγραμμα που περιλάμβανε μια διεπιστημονική ομάδα από ένα Εθνικό Εργαστήριο (Fermilab) καθώς και από το Χάρβαρντ και το Caltech, το ονόμασα “Κανάλια Kβαντικής Επικοινωνίας για τη Θεμελιώδη Φυσική (QCCFP)”.  Το πρόγραμμα είχε ως στόχο να επιχειρήσει για πρώτη φορά την πειραματική παραγωγή και παρατήρηση της δυναμικής των διαβατών σκουληκότρυπων, προκειμένου να διερευνηθούν φαινόμενα κβαντικής βαρύτητας.  Αλλά πράγματι, αν το προχωρήσει κανείς ένα βήμα παραπέρα, μπορεί να υπάρξουν εφαρμογές για το κβαντικό διαδίκτυο, αν αυτό αποδειχθεί χρήσιμο για την κοινωνία.
 
– Ποια είναι η συμβουλή που θα δίνατε σε έναν νέο ο οποίος ξεκινάει σήμερα, ενδεχομένως στο ίδιο σχολείο από το οποίο εσείς ξεκινήσατε; Ποια είναι η βασική συμβουλή που θα του δίνατε;

Συγκεντρωθείτε, αμφισβητήστε τα πάντα και να είστε επίμονοι: αυτό που μπορεί να φαίνεται αδύνατο μπορεί να είναι πραγματοποιήσιμο. Και δουλέψτε σκληρά.

Οι Έλληνες πάντα βρίσκουν τρόπο να προχωρήσουν μπροστά

– Τι σημαίνει για εσάς ότι είστε Ελληνίδα;

Αυτή είναι μια φορτισμένη ερώτηση. Το να είσαι Έλληνας είναι τόσο ευθύνη όσο και αίσθημα υπερηφάνειας.
 
– Πώς βλέπετε την Ελλάδα τώρα; Γίνεται λόγος για τα ελληνικά Πανεπιστήμια και τον τρόπο λειτουργίας. Ποια είναι η άποψή σας;

Είμαι εντυπωσιασμένη από τις προσπάθειες για έρευνα και ανάπτυξη και την πρόοδο στην Ελλάδα. Συμπεριλαμβανομένου του ακαδημαϊκού χώρου. Η χώρα αντιμετώπισε δύσκολες στιγμές την τελευταία δεκαετία και, όπως σχεδόν πάντα, οι Έλληνες βρίσκουν τρόπο να προχωρήσουν μπροστά.
           
– Ο κόσμος συνεχίζει να εμπιστεύεται την επιστήμη;

Άλλη μια φορτισμένη ερώτηση. Στην εποχή της τεχνητής νοημοσύνης και άλλων αναδυόμενων τεχνολογιών μπορεί να χάσουμε την ουσία της έρευνας, της ανακάλυψης, και του νοήματος της επιστήμης. Η επιστήμη ωθεί τη γνώση στα όρια, και τα όρια είναι γεμάτα αβεβαιότητες.  Έτσι, χρειάζεται ταπεινότητα όταν κάποιος επιδιώκει να αυξήσει τη γνώση. 
 
– Πώς βλέπετε την επόμενη μέρα μετά την ανακάλυψή σας;

Το ίδιο με χθες. Κρατάω χαμηλά το κεφάλι μου, δουλεύω σκληρά, κάνω ερωτήσεις και προχωράω.