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¿Qué hay dentro de un agujero negro? El físico utiliza la computación cuántica y el aprendizaje automático para descubrir

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Enrico Rinaldi, investigador del Departamento de Física de la Universidad de Michigan, utiliza dos métodos de simulación para resolver modelos de matrices cuánticas que pueden describir cómo es la gravedad de un agujero negro. En esta imagen, una representación pictórica del espacio-tiempo curvo conecta los dos métodos de simulación. En la parte inferior, un método de aprendizaje profundo está representado por diagramas de puntos (red neuronal), mientras que el método de circuito cuántico en la parte superior está representado por líneas, cuadrados y círculos (qubits y puertas). Los métodos de simulación se fusionan con cada lado del espacio-tiempo curvo para representar el hecho de que las propiedades de la gravedad emergen de las simulaciones. Rinaldi tiene su sede en Tokio y está alojado en el Laboratorio de Física Cuántica Teórica del Grupo de Investigación Pionera en RIKEN, Wako. Crédito: Enrico Rinaldi/UM, RIKEN y A. Silvestri

Amigo, ¿y si todo lo que nos rodea fuera solo un… holograma?


El hecho es que podría serlo, y un físico de la Universidad de Michigan usa computación cuántica y aprendizaje automático para comprender mejor la idea, llamada dualidad holográfica.

La dualidad holográfica es una conjetura matemática que vincula las teorías de partículas y sus interacciones con la teoría de la gravedad. Esta conjetura sugiere que la teoría de la gravedad y la teoría de las partículas son matemáticamente equivalentes: lo que sucede matemáticamente en la teoría de la gravedad sucede en la teoría de las partículas, y viceversa.

Las dos teorías describen diferentes dimensiones, pero el número de dimensiones que describen difiere en una unidad. Entonces, dentro de la forma de un agujero negro, por ejemplo, la gravedad existe en tres dimensiones, mientras que una teoría de partículas existe en dos dimensiones, en su superficie: un disco plano.

Para visualizar esto, piense en el agujero negro, que distorsiona tiempo espacial por su enorme masa. La gravedad del agujero negro, que existe en tres dimensiones, se conecta matemáticamente con las partículas que bailan sobre él, en dos dimensiones. Por lo tanto, existe un agujero negro en el espacio tridimensional, pero lo vemos atravesado por partículas.

Algunos científicos teorizan que todo nuestro universo es una proyección holográfica de partículas, lo que podría conducir a una teoría cuántica coherente de la gravedad.

«En la teoría de la relatividad general de Einstein no hay partículas, solo hay espacio-tiempo. Y en el modelo estándar de física de partículas no hay gravedad, solo hay partículas», dijo Enrico Rinaldi, investigador del Departamento de Física de la UM. . «La vinculación de las dos teorías diferentes es un problema de larga data en la física, algo que la gente ha estado tratando de hacer durante el último siglo».

En un estudio publicado en la revista PRX cuánticoRinaldi y sus coautores examinan cómo probar la dualidad holográfica utilizando la computación cuántica y el aprendizaje profundo para encontrar el estado de energía más bajo de los problemas matemáticos llamados modelos de matriz cuántica.

Estos modelos de matriz cuántica son representaciones de la teoría de partículas. Debido a que la dualidad holográfica sugiere que lo que sucede matemáticamente en un sistema que representa la teoría de partículas afectará de manera similar a un sistema que representa la gravedad, resolver tal modelo de matriz cuántica podría revelar información sobre la gravedad.

Para el estudio, Rinaldi y su equipo usaron dos modelos matriciales que son lo suficientemente simples para ser resueltos usando métodos tradicionales, pero que exhiben todas las características de los modelos matriciales más complejos usados ​​para describir agujeros negros a través de la dualidad holográfica.

«Esperamos que al comprender las propiedades de esta teoría de partículas a través de los experimentos numéricos, entendamos algo sobre la gravedad», dijo Rinaldi, quien tiene su sede en Tokio y es anfitrión del Laboratorio de Física Cuántica Teórica del Grupo de Investigación Pionera en RIKEN. Wako. . «Desafortunadamente, todavía no es fácil resolver las teorías de partículas. Y ahí es donde las computadoras pueden ayudarnos».

Estos modelos de matriz son bloques de números que representan objetos en la teoría de cuerdas, que es un marco en el que las partículas dentro de las partículas teoría están representados por cadenas unidimensionales. Cuando los investigadores resuelven modelos de matriz como estos, intentan encontrar la configuración específica de partículas en el sistema que representan el estado de energía más bajo del sistema, llamado estado fundamental. En el estado fundamental, nada le sucede al sistema a menos que le agregues algo que lo perturbe.

«Es realmente importante comprender cómo se ve ese estado fundamental, porque luego puedes crear cosas a partir de él», dijo Rinaldi. «Entonces, para un material, conocer el estado fundamental es como saber, por ejemplo, si es un conductor, si es un superconductor, si es realmente fuerte o si es débil. Pero encontrar este estado fundamental entre todos los estados posibles es bastante complicado». una tarea difícil, por lo que utilizamos estos métodos numéricos.

Puedes pensar en los números en modelos matriciales como granos de arena, dice Rinaldi. Cuando la arena está nivelada, este es el estado fundamental del modelo. Pero si hay ondas en la arena, debe encontrar una manera de nivelarlas. Para resolver este problema, los investigadores observaron primero los circuitos cuánticos. En este método, los circuitos cuánticos están representados por cables, y cada qubit, o bit de información cuántica, es un cable. Sobre los cables hay puertas, que son operaciones cuánticas que dictan cómo pasará la información a lo largo de los cables.

“Puedes reproducirlos como música, de izquierda a derecha”, dijo Rinaldi. «Si lo lees como música, básicamente transformas el qubits desde el principio en algo nuevo a cada paso. Pero no sabes qué operaciones realizar sobre la marcha, qué notas tocar. El proceso de agitación modificará todas estas puertas para que tomen la forma correcta, de modo que al final de todo el proceso alcances el estado fundamental. Así que tienes toda esta música, y si la tocas bien, al final del día tienes el estado fundamental».

Luego, los investigadores querían comparar el uso de este método de circuito cuántico con el uso de un método de aprendizaje profundo. El aprendizaje profundo es un tipo de aprendizaje automático que utiliza un enfoque de red neuronal, una serie de algoritmos que intentan encontrar relaciones en los datos, de forma similar a cómo funciona el cerebro humano.

Las redes neuronales se utilizan para diseñar software de reconocimiento facial alimentándose de miles de imágenes de caras, de las que derivan señales faciales particulares para reconocer imágenes individuales o generar nuevas caras de personas que no existen.

En el estudio de Rinaldi, los investigadores definen la descripción matemática del estado cuántico de su modelo de matriz, llamada función de onda cuántica. Luego usan una red neuronal especial para encontrar la función de onda de la matriz con la energía más baja posible, su estado fundamental. Los números en la red neuronal pasan por un proceso iterativo de «optimización» para encontrar el estado fundamental del modelo de matriz, golpeando el cubo de arena para nivelar todos sus granos.

En ambos enfoques, los investigadores pudieron encontrar el estado fundamental de los dos modelos de matriz que examinaron, pero los circuitos cuánticos están limitados por una pequeña cantidad de qubits. El hardware cuántico actual solo puede manejar unas pocas docenas de qubits: agregar líneas a su partitura se vuelve costoso y cuanto más agrega, con menos precisión puede reproducir la música.

«Otros métodos que la gente suele utilizar pueden encontrar la energía del estado fundamental, pero no toda la estructura de la función de onda», dijo Rinaldi. «Hemos mostrado cómo obtener información completa sobre la estado fundamental usando estas nuevas tecnologías emergentes, computadoras cuánticas y aprendizaje profundo.

«Debido a que estas matrices son una posible representación de un tipo particular de agujero negro, si sabemos cómo se organizan las matrices y cuáles son sus propiedades, podemos saber, por ejemplo, cómo se ve un agujero negro en el interior del horizonte de eventos de un negro. ¿De dónde viene? Responder a estas preguntas sería un paso hacia la consecución de un agujero cuántico. teoría de la gravedad

Los resultados, dice Rinaldi, muestran una referencia importante para el trabajo futuro sobre algoritmos de aprendizaje automático y cuánticos que los investigadores pueden usar para estudiar la gravedad cuántica a través de la idea de la dualidad holográfica.

Los coautores de Rinaldi incluyen a Xizhi Han de la Universidad de Stanford; Mohammad Hassan en el City College de Nueva York; Yuan Feng del Colegio de la Ciudad de Pasadena; Franco Nori en UM y RIKEN; Michael McGuigan del Laboratorio Nacional de Brookhaven y Masanori Hanada de la Universidad de Surrey.

A continuación, Rinaldi trabaja con Nori y Hanada para estudiar cómo los resultados de estos algoritmos pueden escalar a matrices más grandes, así como su solidez frente a la introducción de efectos «ruidosos» o interferencias que pueden introducir errores.


Explicar la gravedad sin teoría de cuerdas


Más información:
Enrico Rinaldi et al, Simulaciones de modelos matriciales utilizando computación cuántica, aprendizaje profundo y Lattice Monte Carlo, PRX cuántico (2022). DOI: 10.1103/PRXQuantum.3.010324

Proporcionado por
Universidad de Michigan

Cita: ¿Qué hay dentro de un agujero negro? El físico usa computación cuántica, aprendizaje automático para descubrir (14 de febrero de 2022) Obtenido el 14 de febrero de 2022 de https://phys.org/news/2022-02-black-hole-physicist-quantum-machine.html

Este documento está sujeto a derechos de autor. Excepto para el uso justo con fines de estudio o investigación privados, ninguna parte puede reproducirse sin permiso por escrito. El contenido se proporciona únicamente a título informativo.

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Horoscopo

La erupción del volcán Hunga Tonga-Hunga Ha’apai ha llegado al espacio

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Les volcans qui explosent en panaches de magma et de cendres peuvent être suffisamment puissants pour déclencher d’énormes ondes de choc et des bangs soniques au-dessus tout en provoquant des tremblements de terre, des glissements de terrain et des vagues de tsunami plus près de la superficie. Ahora un volcán ha hecho todo lo anterior y espacio afectado.

Este tipo de fenómenos no solo ocurren en películas como pico de Dante. la Volcán Hunga Tonga-Hunga Ha’apai hace que la erupción mortal que enfrenta el vulcanólogo incondicionalmente anti-James-Bond de Pierce Brosnan apenas parezca una hoguera. Il a éclaté si violemment que non seulement il a secoué l’atmosphère et l’océan, mais la NASA a découvert que les effets s’étendaient plus loin que l’atmosphère terrestre, avec des vents assez rapides pour rivaliser avec un ouragan aux confins del espacio. Es hoy una de las perturbaciones más enormes jamás observadas en el espacio.

Además de tener un temperamento notoriamente caliente (la última erupción de Hunga Tonga-Hunga Ha’apai en 2015 arrojó cenizas a más de cinco millas hacia el cielo y en realidad formó una nueva isla a partir de todo ese vómito), el volcán submarino ahora les ha dado a los investigadores la oportunidad de vea lo que sucede cuando el clima terrestre y el clima espacial chocan. El físico de UC Berkeley, Brian Harding, realizó un estudio sobre el monstruo que escupe fuego, publicado recientemente en Cartas de investigación geofísica.

«El volcán puede enseñarnos qué tipos de ondas atmosféricas transfieren impulso y energía desde el suelo al espacio», dijo a SYFY WIRE. «Esperamos que esto represente los mecanismos que transmiten impulso y energía desde la atmósfera inferior al espacio y, finalmente, conduzcan a mejores predicciones del clima espacial».

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Hunga Tonga-Hunga Ha’apai se esconde en las profundidades del Océano Pacífico Sur occidental, frente a las islas principales de Tonga. Algunas de las olas del tsunami a su paso fueron lo suficientemente altas como para alcanzar la estratosfera, y el polvo y el gas que arrojó a la mesosfera. ICONO DE LA NASA (Explorador de conexiones ionosféricas) y Satélites Swarm de la ESA eran parte de ella. Apenas unas horas después de que el volcán activo explotara, las dos naves espaciales captaron extrañas corrientes eléctricas en la capa superior de la atmósfera, o la ionosfera.

Comprender fenómenos como este es (en su mayor parte) solo posible a través de observaciones. Simplemente no puedes recrear algo así en un laboratorio. Incluso dar sentido a las observaciones puede ser difícil cuando ocurren múltiples procesos al mismo tiempo y en el mismo lugar, lo que puede confundir la causa y el efecto.

ICON tiene su ojo en el borde del espacio. Él observa una región donde los gases pueden ser turbulentos y donde las ráfagas de viento solar transportan partículas cargadas. Cuando ocurren erupciones solares y eyecciones de masa coronal, los ataques de estas partículas pueden causar tormentas geomagnéticas que interrumpen nuestros satélites, Internet y la infraestructura de energía. La erupción de Hunga Tonga-Hunga Ha’apai fue capaz de algo que solo se suponía que podía hacer una tormenta geomagnética.

Los vientos intensos afectan las corrientes eléctricas en la ionosfera, razón por la cual ICON y Swarm detectaron algo sospechoso. Las partículas ionosféricas, principalmente electrones e iones como NO+ y O2+, crean una corriente conocida como electrochorro ecuatorial.

“No son las corrientes eléctricas en sí mismas los impactos más severos del clima espacial, sino que las corrientes eléctricas son un marcador inequívoco de cambios en el sistema de dínamo ionosférico”, dijo Harding. «Esto tiene otras implicaciones para la distribución del plasma».

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Cuando los vientos de la atmósfera inferior impulsan el electrochorro, fluye hacia el este. El plasma perturbado puede provocar que los sistemas eléctricos, de comunicación y de navegación (como el GPS) no funcionen correctamente en la Tierra. Esta erupción perturbó tanto al electrochorro que se volvió temporalmente cinco veces más poderoso de lo habitual. También experimentó un fenómeno que nada más que una poderosa tormenta geomagnética ha causado: el flujo del electrochorro en realidad se invirtió.

No es una gran sorpresa para los científicos cuando ocurre una inversión como esta, porque el Sol siempre tiene algún tipo de rabieta que envía partículas cargadas que se precipitan y, a veces, dan vueltas alrededor del electrochorro si tienen suficiente influencia. La erupción Hunga Tonga-Hunga Ha’apai también fue la inversión más fuerte que Swarm jamás haya visto, e ICON tuvo el momento y la posición adecuados para atraparla. Lo que ICON envió a tierra mostró que había una turbulencia extrema en la ionosfera. Sus observaciones se acercaron a las predicciones previas de cómo la atmósfera superior se vería afectada por una perturbación de esta magnitud.

“Antes de que podamos esperar predecir la respuesta de la atmósfera superior a una miríada de fuentes de variabilidad desde abajo, primero debemos poder predecir la respuesta de la atmósfera superior a una sola fuente como la explosión”, dijo Harding.

Lo que sucede donde termina la atmósfera y comienza el espacio apenas comienza a entenderse. Después próxima misión GDC de la NASA (Geospace Dynamics Constellation) se lanzará en 2027, monitoreará otros eventos donde terminan los confines de la Tierra y comienza la última frontera.

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Horoscopo

La NASA comparte una hermosa imagen de la galaxia Whirlpool, Internet dice que ‘no se pueden quitar los ojos’

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La galaxia espiral fue capturada con Hubbles Advanced Camera for Surveys.

Durante sus 30 años de servicio, Telescopio espacial Hubble de la NASA tomó millones de fotografías de eventos intrigantes. Ha capturado algunas de las vistas más impresionantes del universo, dando un festín a los ojos de los entusiastas del espacio. Ahora, una de esas imágenes que parece una gran escalera de caracol que se desplaza por el espacio se encuentra entre las más recientes compartidas por la agencia espacial de EE. UU.

En Twitter, la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA) de EE. UU. compartió una imagen impresionante de la galaxia M51, también conocida como la galaxia Whirlpool. «Estamos girando en círculos… Déjate llevar por los brazos curvos de la Galaxia del Remolino, las regiones rosadas de formación de estrellas y las hebras azules brillantes de los cúmulos de estrellas», escribió la NASA en el pie de foto.

Esta «galaxia espiral hipnótica» fue capturada en luz visible con la Cámara avanzada para encuestas del Hubble. Desde que se compartió, la publicación ha acumulado más de 10,000 me gusta y cientos de comentarios.

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«Desearía que hubiera una IA que pudiera interpretar imágenes y convertirlas en música. Me encantaría saber cómo se ve esta imagen”, escribió un usuario. «Se ve tan hermosa allí, en ella y en todas las hermosas luces», agregó. otro Un tercer usuario dijo: «Qué hermoso, no puedo quitarme los ojos».

De acuerdo a un nota de prensa, la agencia espacial explicó que los elegantes y sinuosos brazos de la majestuosa galaxia espiral M51 son en realidad largas filas de estrellas y gas cubiertas de polvo. Dijo que esos brazos llamativos son una característica de las llamadas «galaxias espirales de gran diseño».

«En M51, también conocida como Whirlpool Galaxy, estos brazos tienen un propósito importante: son fábricas de formación estelar, que comprimen gas hidrógeno y crean cúmulos de nuevas estrellas», agregó la NASA.

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Además, la agencia continuó explicando que en la cautivadora imagen, el rojo representa la luz infrarroja, así como el hidrógeno en las regiones de formación de estrellas gigantes. El color azul, por otro lado, se puede atribuir a estrellas jóvenes y calientes, mientras que el color amarillo proviene de estrellas más viejas. Cabe señalar que M51 se encuentra a 31 millones de años luz de la Tierra en la constelación Canes Venatici.

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El Telescopio Hubble mira profundamente en el ojo de la Aguja en esta foto de una galaxia espiral enana

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Una nueva imagen del Telescopio Espacial Hubble muestra una vista profunda del ojo de una aguja galáctica.

la galaxia espiral recibe el sobrenombre de «Ojo de aguja», aunque más oficialmente se le conoce como NGC 247 y Caldwell 62. NASA mencionado 10 de mayo, el apodo es apropiado dado que esta galaxia es una espiral enana, lo que la convierte en un grupo de estrellas relativamente pequeño en comparación con el nuestro. vía Láctea.

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