Голографический принцип — математическая гипотеза, объединяющая теории частиц и их взаимодействий с теорией гравитации. Она предполагает, что эти теории математически эквивалентны: что происходит в теории гравитации, происходит и в теории частиц, и наоборот. Обе теории описывают разное число измерений, но их количество отличается на одно. Так что внутри черной дыры, например, гравитация существует в трех измерениях, тогда как теория частиц — в двух.

Для того чтобы представить это, вообразите черную дыру, которая искажает пространство-время из-за своей громадной массы. Гравитация черной дыры, существующая в трех измерениях, соединяется математически с частицами, находящимися над ней, в двух измерениях. Следовательно, черная дыра существует в трехмерном пространстве, но мы видим ее как голографическую проекцию, представленную частицами.

Некоторые ученые предполагают, что вся Вселенная — это голографическая проекция, и это позволяет вывести непротиворечивую квантовую теорию гравитации, пишет Phys.org.

«В Общей теории относительности Эйнштейна нет частиц, только пространство-время. А в Стандартной модели нет гравитации, только частицы, — сказал Энрико Ринальди, физик из Университета Мичигана. — Объединение этих разных теорий — давняя проблема физики, ее пытались решить еще с прошлого столетия».

Ринальди и его коллеги поставили перед собой задачу по изучению голографического дуализма при помощи двух методов: квантовых вычислений и глубокого обучения. Они надеялись обнаружить самое низкое энергетическое состояние математических проблем — квантовые матричные модели, репрезентации теории частиц.

Голографический принцип гласит: то, что происходит математически в системе, которая представляет теорию частиц, схожим образом воздействует на систему, представляющую гравитацию. Отсюда следует, что решение такой квантовой матричной модели может раскрыть информацию о гравитации.

Матричные модели — блоки чисел, представляющих объекты в теории струн. Решение таких моделей — это попытка найти определенную конфигурацию частиц в системе, которая выражает ее самое низкое энергетическое состояние. В этом основном состоянии ничего не происходит, пока оно не будет нарушено.

В исследовании ученые использовали две матричных модели, достаточно простые, чтобы их можно было решить традиционными методами, но которые обладают всеми чертами более сложных матричных моделей, используемых для описания черных дыр посредством голографического принципа. Они определили математическое описание квантового состояния матричной модели, так называемой квантово-волновой функции. Затем они применили нейросеть для поиска волновой функции матрицы с наименьшей из возможных энергией. Числа нейросети были пропущены через итеративный процесс оптимизации, чтобы найти основное состояние модели.

Оба подхода позволили ученым найти основное состояние обеих матричных моделей, которые они исследовали, но квантовые процессоры были ограничены низким количеством кубитов.

«Другие методы, которые применяют люди, позволяют найти энергию основного состояния, но не всю структуру волновой функции, — пояснил Ринальди. — Мы показали, как получить полную информацию об основном состоянии при помощи новейших технологий: квантовых вычислений и глубокого обучения».

«Поскольку эти матрицы — одно из возможных представлений особого типа черной дыры, если мы будем знать, как эти матрицы расположены и каковы их свойства, мы узнаем, например, как выглядят черные дыры изнутри. Что находится на горизонте событий черной дыры? Откуда они берутся? Ответы на эти вопросы станут шагом вперед к выработке квантовой теории гравитации», — заявил ученый.