Bagaimana jika semua yang ada di sekitar kita hanyalah sebuah hologram? Beberapa fisikawan benar-benar mempercayainya. Dan seorang fisikawan dari University of Michigan menggunakan komputasi kuantum dan pembelajaran mesin untuk lebih memahami gagasan tersebut, yang disebut dualitas holografik.
Dualitas holografik adalah dugaan matematis yang menghubungkan teori partikel dan interaksinya dengan teori gravitasi. Dugaan ini menunjukkan bahwa teori gravitasi dan teori partikel secara matematis setara: Apa yang terjadi secara matematis dalam teori gravitasi terjadi dalam teori partikel, dan sebaliknya.
Kedua teori tersebut menggambarkan dimensi yang berbeda, bahkan jumlah dimensi yang digambarkan keduanya berbeda satu sama lain. Misalnya, dalam bentuk sebuah lubang hitam gravitasi hadir dalam tiga dimensi sementara teori partikelnya hadir dalam dua dimensi di permukaannya sebagai cakram datar.
Gravitasi lubang hitam, yang hadir dalam tiga dimensi, secara matematis terhubung dengan partikel yang menari-nari di atasnya dalam dua dimensi. Oleh karena itu, lubang hitam hadir di ruang tiga dimensi, tetapi kita melihatnya sebagaimana yang diproyeksikan melalui berbagai partikel.
“Dalam teori Relativitas Umum Einstein, tidak ada partikel—yang ada hanya ruang-waktu. Dan dalam Model Standar fisika partikel, tidak ada gravitasi, yang ada hanya partikel,” kata Enrico Rinaldi, ilmuwan peneliti di Departemen Fisika UM. “Menghubungkan dua teori yang berbeda adalah masalah lama dalam fisika—sesuatu yang telah dicoba dilakukan orang sejak abad terakhir.”
Para peneliti menyelidiki dualitas holografik menggunakan komputasi kuantum dan pembelajaran mendalam untuk menemukan keadaan energi terendah dari masalah matematika yang disebut model matriks kuantum.
Model matriks kuantum ini adalah representasi dari teori partikel. Karena dualitas holografik menunjukkan bahwa apa yang terjadi secara matematis dalam sistem yang mewakili teori partikel akan memengaruhi sistem yang mewakili gravitasi secara serupa, pemecahan model matriks kuantum semacam itu dapat mengungkapkan informasi tentang gravitasi.
Untuk penelitian ini, Rinaldi dan timnya menggunakan dua model matriks yang cukup sederhana untuk diselesaikan menggunakan metode tradisional, tetapi memiliki semua fitur model matriks yang lebih rumit yang digunakan untuk menggambarkan lubang hitam melalui dualitas holografik.
Model matriks ini adalah blok angka yang mewakili objek dalam teori string, yang merupakan kerangka kerja di mana partikel dalam teori partikel diwakili oleh string satu dimensi. Ketika peneliti memecahkan model matriks seperti ini, mereka mencoba menemukan konfigurasi khusus partikel dalam sistem yang mewakili keadaan energi terendah sistem, yang disebut keadaan dasar. Dalam keadaan dasar, tidak ada yang terjadi pada sistem kecuali Anda menambahkan sesuatu yang mengganggunya.
“Sangat penting untuk memahami seperti apa keadaan dasar ini, karena dengan begitu Anda dapat membuat sesuatu darinya,” kata Rinaldi.
Anda dapat menganggap angka dalam model matriks sebagai butiran pasir, kata Rinaldi. Saat pasir rata, itulah kondisi dasar model. Tetapi jika ada riak di pasir, Anda harus menemukan cara untuk meratakannya.
“Anda bisa membacanya sebagai musik, dari kiri ke kanan,” kata Rinaldi. “Jika Anda membacanya sebagai musik, pada dasarnya Anda mengubah qubit dari awal menjadi sesuatu yang baru di setiap langkah. Tetapi Anda tidak tahu operasi mana yang harus Anda lakukan saat Anda melanjutkan, nada mana yang harus dimainkan. Proses pengocokan akan mengubah semua gerbang ini untuk membuatnya mengambil bentuk yang benar sehingga pada akhir seluruh proses, Anda mencapai keadaan dasar. Jadi Anda memiliki semua musik ini, dan jika Anda memainkannya dengan benar, pada akhirnya, Anda memiliki keadaan dasar.”
Dalam studi Rinaldi, para peneliti mendefinisikan deskripsi matematis dari keadaan kuantum model matriks mereka, yang disebut fungsi gelombang kuantum. Kemudian mereka menggunakan jaringan saraf khusus untuk menemukan fungsi gelombang dari matriks dengan energi serendah mungkin—keadaan dasarnya. Jumlah jaringan saraf berjalan melalui proses “optimasi” berulang untuk menemukan keadaan dasar model matriks, mengetuk ember pasir sehingga semua butirnya diratakan.
“Metode lain yang biasanya digunakan orang dapat menemukan energi keadaan dasar tetapi tidak seluruh struktur fungsi gelombang,” kata Rinaldi. “Kami telah menunjukkan cara mendapatkan informasi lengkap tentang keadaan dasar menggunakan teknologi baru yang muncul ini, komputer kuantum, dan pembelajaran mendalam.
“Karena matriks-matriks ini adalah salah satu representasi yang mungkin untuk jenis lubang hitam tertentu, jika kita mengetahui bagaimana matriks disusun dan apa sifat-sifatnya, kita dapat mengetahui, misalnya, seperti apa lubang hitam di dalamnya. Apa yang ada di dalam cakrawala peristiwa untuk lubang hitam? Dari mana asalnya? Menjawab pertanyaan-pertanyaan ini akan menjadi langkah untuk mewujudkan teori gravitasi kuantum.”
Hasilnya, kata Rinaldi, menunjukkan tolok ukur penting untuk pekerjaan masa depan pada algoritma kuantum dan pembelajaran mesin yang dapat digunakan peneliti untuk mempelajari gravitasi kuantum melalui gagasan dualitas holografik.
Penelitian ini telah diterbitkan di jurnal PRX Quantum.
