Cosa c'è dentro un buco nero

Cosa c’è dentro un buco nero? I computer quantistici potrebbero simularlo

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Sia l’informatica quantistica che l’apprendimento automatico sono stati pubblicizzati come la prossima grande rivoluzione informatica da un bel po’ di tempo ormai. Tuttavia, gli esperti hanno sottolineato che queste tecniche non sono strumenti generalizzati: saranno solo il grande balzo in avanti nella potenza dei computer per algoritmi molto specializzati e ancor più raramente saranno in grado di lavorare sullo stesso problema. Uno di questi esempi di dove potrebbero lavorare insieme è modellare la risposta a uno dei problemi più spinosi della fisica: come si relaziona la relatività generale con il modello standard?

Cosa c’è dentro un buco nero?

Un team guidato da ricercatori dell’Università del Michigan e RIKEN pensa di aver sviluppato proprio un algoritmo del genere. Non ci sono molti posti in cui i due grandi modelli fisici si scontrano, ma intorno a un buco nero c’è. Gli stessi buchi neri sono enormi pozzi gravitazionali governati interamente dalla fisica definita dalla Relatività Generale. Tuttavia, innumerevoli particelle stanno vorticando intorno ai loro orizzonti degli eventi che sono effettivamente immuni alla gravità ma rientrano nella struttura del Modello Standard, che si occupa direttamente della fisica delle particelle.

C’è stata una teoria di vecchia data secondo cui i movimenti e le accelerazioni delle particelle direttamente sopra un buco nero potrebbero essere una proiezione bidimensionale di ciò che il buco nero stesso sta facendo in tre dimensioni. Questo concetto è chiamato dualità olografica e potrebbe offrire un modo per cercare quell’interfaccia critica tra la relatività (cioè la fisica dei buchi neri) e il modello Standard (cioè la fisica delle particelle).

Tuttavia, la stessa dualità olografica è difficile da modellare con gli algoritmi informatici moderni. Così Enrico Rinaldi, un fisico dell’Università del Michigan e di RIKEN, ha tentato di sviluppare un nuovo modello che utilizzasse queste due architetture di calcolo molto pubblicizzate: il calcolo quantistico e l’apprendimento automatico.

Lo stesso calcolo quantistico può essere utile nella modellazione della fisica delle particelle, poiché parte della fisica alla base della stessa piattaforma di calcolo è soggetta a quelle leggi fisiche che ci sono così estranee su scala macro. In questo caso, il dottor Rinaldi e il suo team hanno utilizzato un algoritmo in esecuzione su un computer quantistico per simulare le particelle che compongono il progetto parte della dualità olografica.

Per fare ciò, hanno utilizzato un concetto chiamato modello a matrice quantistica. Come per molte simulazioni fisiche, l’obiettivo finale della simulazione era trovare lo stato energetico più basso del sistema. I modelli a matrice quantistica aiuterebbero a risolvere efficacemente i problemi di ottimizzazione che troverebbero lo stato energetico più basso dei sistemi di particelle proiettati sopra un buco nero.

La rete neurale

Gli algoritmi che utilizzano un computer quantistico non sono l’unico modo per trovare quegli “stati fondamentali“, come viene chiamato lo stato energetico più basso del sistema. Un altro metodo sarebbe utilizzare un tipo di tecnica di intelligenza artificiale chiamata rete neurale. Questi si basano sull’utilizzo di sistemi simili a quelli che si trovano nel cervello umano.  

Il team ha applicato questi algoritmi a un tipo di modello a matrice ancora basato su idee quantistiche ma che non richiede il calcolo quantistico. Conosciuta come una funzione d’onda quantistica, rappresentava ancora una volta l’attività delle particelle sulla superficie del buco nero. E ancora una volta, l’algoritmo della rete neurale è stato in grado di risolvere il problema di ottimizzazione e trovare il suo “stato fondamentale“.

Secondo Rinaldi, queste nuove tecniche rappresentano un miglioramento significativo rispetto ad altri precedenti tentativi di risoluzione di questi algoritmi. “Altri metodi che le persone usano tipicamente possono trovare l’energia dello stato fondamentale, ma non l’intera struttura della funzione d’onda”, ha detto Rinaldi in un comunicato stampa. 

Questo significa che per comprendere l’interno di un buco nero, o l’interfaccia tra il modello standard e la relatività generale, è ancora un po’ una scatola nera. In teoria, dovrebbe esserci un modo per modellare l’interno di un buco nero usando i tipi di funzioni d’onda quantistiche definite da questi algoritmi. Ma quel lavoro, che potrebbe portare a una sottostante teoria quantistica della gravità secondo Rinaldi, resta da fare. Poiché queste architetture di elaborazione pubblicizzate continuano a guadagnare popolarità, tuttavia, è quasi certo che qualcuno tenterà di far luce su quella scatola nera.

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