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¿Qué hay dentro de un agujero negro? Físico investiga dualidad holográfica con computación cuántica para averiguarlo

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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[{» attribute=»»>quantum computing and machine learning to better understand the idea, called holographic duality.

Holographic duality is a mathematical conjecture that connects theories of particles and their interactions with the theory of gravity. This conjecture suggests that the theory of gravity and the theory of particles are mathematically equivalent: what happens mathematically in the theory of gravity happens in the theory of particles, and vice versa.

Both theories describe different dimensions, but the number of dimensions they describe differs by one. So inside the shape of a black hole, for example, gravity exists in three dimensions while a particle theory exists in two dimensions, on its surface—a flat disk.

To envision this, think again of the black hole, which warps space-time because of its immense mass. The gravity of the black hole, which exists in three dimensions, connects mathematically to the particles dancing above it, in two dimensions. Therefore, a black hole exists in a three dimensional space, but we see it as projected through particles.

Black Hole Matrix Model Simulations

Enrico Rinaldi, research scientist in the University of Michigan Department of Physics, is using two simulation methods to solve quantum matrix models which can describe what the gravity of a black hole looks like. In this image, a pictorial representation of curved space time connects the two simulation methods. On the bottom, a deep learning method is represented by graphs of points (neural network), while the quantum circuit method on top is represented by lines, squares and circles (qubits and gates). The simulation methods merge with each side of the curved space time to represent the fact that gravity properties come out of the simulations. Rinaldi is based in Tokyo and hosted by the Theoretical Quantum Physics Laboratory at the Cluster for Pioneering Research at RIKEN, Wako. Credit: Enrico Rinaldi/U-M, RIKEN and A. Silvestri

Some scientists theorize our entire universe is a holographic projection of particles, and this could lead to a consistent quantum theory of gravity.

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“In Einstein’s General Relativity theory, there are no particles—there’s just space-time. And in the Standard Model of particle physics, there’s no gravity, there’s just particles,” said Enrico Rinaldi, a research scientist in the U-M Department of Physics. “Connecting the two different theories is a longstanding issue in physics—something people have been trying to do since the last century.”

In a study published in the journal PRX Quantum, Rinaldi and his co-authors examine how to probe holographic duality using quantum computing and deep learning to find the lowest energy state of mathematical problems called quantum matrix models.

These quantum matrix models are representations of particle theory. Because holographic duality suggests that what happens, mathematically, in a system that represents particle theory will similarly affect a system that represents gravity, solving such a quantum matrix model could reveal information about gravity.

For the study, Rinaldi and his team used two matrix models simple enough to be solved using traditional methods, but which have all of the features of more complicated matrix models used to describe black holes through the holographic duality.

“We hope that by understanding the properties of this particle theory through the numerical experiments, we understand something about gravity,” said Rinaldi, who is based in Tokyo and hosted by the Theoretical Quantum Physics Laboratory at the Cluster for Pioneering Research at RIKEN, Wako. “Unfortunately it’s still not easy to solve the particle theories. And that’s where the computers can help us.”

These matrix models are blocks of numbers that represent objects in string theory, which is a framework in which particles in particle theory are represented by one-dimensional strings. When researchers solve matrix models like these, they are trying to find the specific configuration of particles in the system that represent the system’s lowest energy state, called the ground state. In the ground state, nothing happens to the system unless you add something to it that perturbs it.

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“It’s really important to understand what this ground state looks like, because then you can create things from it,” Rinaldi said. “So for a material, knowing the ground state is like knowing, for example, if it’s a conductor, or if it’s a superconductor, or if it’s really strong, or if it’s weak. But finding this ground state among all the possible states is quite a difficult task. That’s why we are using these numerical methods.”

You can think of the numbers in the matrix models as grains of sand, Rinaldi says. When the sand is level, that’s the model’s ground state. But if there are ripples in the sand, you have to find a way to level them out. To solve this, the researchers first looked to quantum circuits. In this method, the quantum circuits are represented by wires, and each qubit, or bit of quantum information, is a wire. On top of the wires are gates, which are quantum operations dictating how information will pass along the wires.

“You can read them as music, going from left to right,” Rinaldi said. “If you read it as music, you’re basically transforming the qubits from the beginning into something new each step. But you don’t know which operations you should do as you go along, which notes to play. The shaking process will tweak all these gates to make them take the correct form such that at the end of the entire process, you reach the ground state. So you have all this music, and if you play it right, at the end, you have the ground state.”

The researchers then wanted to compare using this quantum circuit method to using a deep learning method. Deep learning is a kind of machine learning that uses a neural network approach—a series of algorithms that tries to find relationships in data, similar to how the human brain works.

Neural networks are used to design facial recognition software by being fed thousands of images of faces—from which they draw particular landmarks of the face in order to recognize individual images or generate new faces of persons who do not exist.

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In Rinaldi’s study, the researchers define the mathematical description of the quantum state of their matrix model, called the quantum wave function. Then they use a special neural network in order to find the wave function of the matrix with the lowest possible energy—its ground state. The numbers of the neural network run through an iterative “optimization” process to find the matrix model’s ground state, tapping the bucket of sand so all of its grains are leveled.

In both approaches, the researchers were able to find the ground state of both matrix models they examined, but the quantum circuits are limited by a small number of qubits. Current quantum hardware can only handle a few dozens of qubits: adding lines to your music sheet becomes expensive, and the more you add the less precisely you can play the music.

“Other methods people typically use can find the energy of the ground state but not the entire structure of the wave function,” Rinaldi said. “We have shown how to get the full information about the ground state using these new emerging technologies, quantum computers, and deep learning.

“Because these matrices are one possible representation for a special type of black hole, if we know how the matrices are arranged and what their properties are, we can know, for example, what a black hole looks like on the inside. What is on the event horizon for a black hole? Where does it come from? Answering these questions would be a step towards realizing a quantum theory of gravity.”

The results, says Rinaldi, show an important benchmark for future work on quantum and machine learning algorithms that researchers can use to study quantum gravity through the idea of holographic duality.

Next, Rinaldi is working with Nori and Hanada to study how the results of these algorithms can scale to larger matrices, as well as how robust they are against the introduction of “noisy” effects, or interferences that can introduce errors.

Reference: “Matrix-Model Simulations Using Quantum Computing, Deep Learning, and Lattice Monte Carlo” by Enrico Rinaldi, Xizhi Han, Mohammad Hassan, Yuan Feng, Franco Nori, Michael McGuigan and Masanori Hanada, 10 February 2022, PRX Quantum.
DOI: 10.1103/PRXQuantum.3.010324

Rinaldi’s co-authors include Xizhi Han at Stanford University; Mohammad Hassan at City College of New York; Yuan Feng at Pasadena City College; Franco Nori at U-M and RIKEN; Michael McGuigan at Brookhaven National Laboratory and Masanori Hanada at University of Surrey.

Experiencia en periódicos nacionales y periódicos medianos, prensa local, periódicos estudiantiles, revistas especializadas, sitios web y blogs.

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Promoción de la educación STEM: los estudiantes de PRCC reciben subvenciones del Mississippi Space Grant Consortium – Picayune Item

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Promoción de la educación STEM: los estudiantes de PRCC reciben subvenciones del Mississippi Space Grant Consortium – Picayune Item

Promoción de la educación STEM: los estudiantes de PRCC reciben subvenciones del Mississippi Space Grant Consortium

Publicado a las 12:05 p.m. del jueves 25 de abril de 2024

Por CCPR

Cinco estudiantes de Pearl River Community College han sido seleccionados para recibir la beca para estudiantes STEM del Mississippi Space Grant Consortium (MSSGC) para 2024.

Los solicitantes fueron seleccionados en función de su trabajo realizado en el STEM Club como miembro activo, sus cursos en PRCC, su servicio a la escuela y la comunidad, y las recomendaciones de los instructores. Cada estudiante recibió $750 que pueden usarse para beneficiar y ampliar su educación.

Los homenajeados de este año son Noah Bowman, Brennin Carlisle, Mason Holladay, Destiny Taylor y Sydney Thornton.

«Desde 1993, PRCC ha participado activamente en esta organización estatal sin fines de lucro, con el apoyo de la Oficina de Participación STEM de la NASA, que inicialmente financió colegios comunitarios para este programa», dijo Melinda Miller, coordinadora de subvenciones espaciales de PRCC (MSSGC) e instructora de biología. A&P humana y ciencia forense. «Expresamos nuestra gratitud a la administración de PRCC, la Subvención Espacial de Mississippi de la NASA y la Oficina de Participación STEM por su invaluable apoyo para lograr los objetivos del programa».

«Extendemos nuestras felicitaciones a estos merecedores estudiantes de STEM y esperamos sus logros a lo largo de su trayectoria académica».

GANADORES DEL PREMIO STEM 2024
Bowman es un estudiante de segundo año de Varnado, LA. Se graduó del programa de educación para adultos de PRCC después de recibir educación en casa.

En PRCC fue miembro de Phi Theta Kappa y de la Concert Band. También es tutor de Servicios de Apoyo Estudiantil/TRIO. Después de graduarse, planea asistir a la Universidad del Sur de Mississippi para obtener una licenciatura en bioquímica antes de postularse para el programa de veterinaria de la Universidad Estatal de Luisiana.

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«Este premio me ayudará a lograr mis objetivos educativos al ayudarme a pagar mi matrícula de verano para poder tomar todos los cursos posibles aquí». » dijo Bowman.

Carlisle es un estudiante de segundo año de Poplarville que se graduó de Lamar Christian School. Es un estudiante de trabajo y estudio en el edificio de Educación Técnica Profesional en el campus de Poplarville y con frecuencia participa en actividades de desarrollo de ciencias.

Se espera que Carlisle se gradúe el próximo mes de mayo del programa de Tecnología de Automatización y Controles (Instrumentación). Planea conseguir un trabajo en el Centro Espacial Stennis y quiere trabajar en varios proyectos personales que podrían interesar a más personas en STEM.

«Trabajo mucho con la impresión 3D y disfruto viajar a diferentes escuelas para enseñar a los niños los beneficios de las impresoras 3D», dijo Carlisle. «Este dinero me ayudará a ampliar mis conocimientos personales para estar mejor equipado para enseñar a otros».

Holladay es un estudiante de segundo año de Kiln que se graduó de Hancock High School. Actualmente cursa la carrera de Ciencias de la Salud y Pre-Enfermería. Después de PRCC, planea asistir a la Universidad del Sur de Mississippi para obtener una licenciatura en enfermería.

«Estoy muy agradecido por esta asignación», dijo Holladay. “Pienso usarlo para cubrir mis gastos de vivienda mientras estudio en la USM.”

Taylor es originaria de Carriere y se graduó de Pearl River Central High School. Actualmente es estudiante del programa de Tecnología Electrónica y participa activamente en el eSports Gaming and Strategy Club y en el Ally Club.

Después de graduarse, busca adquirir habilidades y experiencia en ingeniería o ciencias, a través de pasantías u oportunidades laborales.

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«Planeo utilizar este premio para financiar mis necesidades de capacitación y suministros, lo que me permitirá sobresalir como técnico en electrónica», dijo Taylor. «Este es un paso esencial para lograr mis objetivos profesionales y hacer una contribución significativa al campo».

Thornton es un estudiante de segundo año de Sumrall que se graduó de Sumrall High School. Ella está en el Instituto de Honores William Lewis y ha sido miembro de la Spirit of The River Marching Band durante dos años, sirviendo como líder del trombón este año, así como miembro de los Jazz Cats. Las actividades adicionales incluyen el Consejo Asesor Estudiantil, la Asociación de Gobierno Estudiantil y Phi Theta Kappa. Además, está en rotación para el departamento de ciencias, participando en actividades como el reciente Simposio Mujeres en STEM y la Fiesta de Observación del Eclipse Solar.

Thornton está en la carrera de ciencias de la salud y preenfermería. Se graduará en mayo y planea asistir a la Universidad del Sur de Mississippi.

«Me acaban de aceptar en el programa de enfermería de USM y no puedo esperar para comenzar el siguiente paso en mi viaje», dijo Thronton. “¡Este premio me ayudará a continuar mi educación en USM y seguir esforzándome por lograr mi objetivo de convertirme en enfermera titulada!” »

ACERCA DE LA SUBVENCIÓN DE ESPACIO DE PRCC
El programa PRCC Space Grant está afiliado al Mississippi Space Grant Consortium (MSSGC). El programa MSSGC está diseñado para empoderar, mejorar e iluminar a la próxima generación de exploradores de Mississippi a través de oportunidades para participar y contribuir a la misión de la NASA.

Los programas de subvenciones espaciales de la PRCC están diseñados para centrarse en la agenda de investigación humana de la misión de la NASA de aplicar conocimientos y tecnología para mejorar la competitividad, la educación y la calidad de vida de nuestra nación en la Tierra. El subsidio para estudiantes STEM está diseñado para ayudar a los estudiantes con sus gastos educativos actuales o futuros y/o necesidades de proyectos en curso en su campo STEM objetivo.

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PRCC es uno de los diez colegios comunitarios de Mississippi que participan en el programa. Además del subsidio para estudiantes STEM, los fondos se utilizan para ayudar Proyectos especializados en biología y zoología., concursos científicos para escuelas medias y secundarias, Desarrollo docente STEM K-12, oportunidades de desarrollo profesional STEM en colegios comunitarios y promoción de STEM al público en general.

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Lanzamiento de SpaceX en el Centro Espacial Kennedy, Cabo Cañaveral: cómo verlo

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Enterrada en la Nebulosa Pata de Gato se encuentra una de las moléculas espaciales más grandes jamás observadas.

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Enterrada en la Nebulosa Pata de Gato se encuentra una de las moléculas espaciales más grandes jamás observadas.

Los científicos han descubierto una molécula espacial previamente desconocida mientras investigaban una región relativamente cercana de intenso nacimiento estelar, un punto cósmico a unos 5.550 años luz de distancia. Es parte de la Nebulosa Pata de Gato, también conocida como NGC 6334.

El equipo, dirigido por el estudiante graduado del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), Zachary Fried, examinó una sección de la nebulosa conocida como NGC 6334I con el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA). Esto reveló la presencia de una molécula compleja conocida como 2-metoxietanol, que nunca antes se había observado en el mundo natural, aunque sus propiedades habían sido simuladas en laboratorios en la Tierra.

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