用量子计算机创造史上首个全息虫洞 加州理工学院团队发Nature封面文章

日前，来自美国加州理工学院的Maria Spiropulu领导的团队使用谷歌的量子计算机对全息虫洞进行量子「模拟」。据称，该研究团队创造了有史以来第一个虫洞。论文作者表示，他们的这项试验研究，首次演示了今后使用量子计算机测试量子引力理论的潜在可行性。该研究论文于11月30日登上《自然》（Nature）杂志封面。

1916 年，奥地利物理学家 Ludwig Flamm 首次提出了「虫洞（wormhole）」的概念，1930年代由爱因斯坦及纳森·罗森在研究引力场方程时假设黑洞与白洞通过虫洞连接，因此「虫洞」又被称作「爱因斯坦—罗森桥」，其特性是可以在另一边得到一个所谓的「镜射宇宙」或称「全息宇宙」。「虫洞」被认为是宇宙中可能存在的「捷径」，物体通过这条捷径可以在瞬间进行时空转移。然而，科学家们一直无法证实虫洞的客观存在。

加州理工学院的物理学家 Maria Spiropulu |图源：QuantamaGazine

随着研究的深入，虫洞也被分成了很多类型。人们想象中可以做时空旅行的「引力虫洞」，更直观的称呼是「时空洞」；而本次实验模拟的是量子态的量子虫洞，又被称之为「微型虫洞」，并不能穿越时空，两者有很大的差异。

2013年的一次会议后，来自哈佛大学的Daniel Jafferis——虫洞传送协议的首席开发者，也是本篇Nature封面论文的合著者——有了一个想法：通过推测的对偶性，可以经由调整纠缠模式来设计特定的虫洞。

Jafferis联手当时哈佛的研究生Ping Gao，以及访问学者Aron Wall进行研究计算，结论是：通过耦合两组纠缠粒子，当在左侧的那组粒子上执行一个操作后，在对偶高纬时空图像中，打开通往右侧的虫洞口，可以推动一个量子位从中通过。他们发现的这个虫洞，是全息的、可穿越的。

图源：QuantamaGazine

在本次新研究中，来自谷歌、MIT、费米实验室和加州理工学院的科学家们，用一台具有9个量子比特的量子计算机构造了一个简化版的Sachdev-Ye-Kitaev（SYK）模型，模拟出了对应的量子动力学。在同一个量子芯片中，他们创建了两个纠缠的量子系统，并将一个量子比特放入其中一个量子系统。结果，他们在另一个量子系统中观察到了这个量子比特“穿越虫洞”而来的信息，结果符合预期的引力特征。

简单理解一下，SYK模型是一个物质粒子的系统，以群体的形式相互作用，并且这个模型在2015年被发现是全息的。量子引力理论家Juan Maldacena和合作者提出，两个SYK模型连接在一起，可以对Jafferis的可穿越虫洞的两个口进行编码。

Sycamore 芯片的多个副本之一的外壳，该芯片由 50 多个由超导铝电路制成的量子比特组成|图源：QuantamaGazine

但对于这次谷歌量子计算机模拟出来的虫洞，在学术界引起了挺大的争论。

一方认为它对正在研究的理论帮助不大：荷兰拉德堡德大学量子引力理论学家Renate Loll认为，这次的虫洞实验探讨的只是二维时空中的情况，即在一维空间 一维时间的情况下展开研究。但在我们实际生活的四维时空（三维空间 一维时间）中，量子引力却要更为复杂。做这种实验，容易让人们陷入2D玩具模型（一种刻意简化的模型）的研究中，反而忽视了四维时空和二维时空中量子引力的差异。我看不出量子计算机对于（我们正在研究的）理论有多大帮助……不过如果我是错的，我很乐意接受纠正。

另一方则认为，虽然二维时空和四维时空存在不同，但这次实验仍然可以获取不少「通用」的经验。

无论如何，希望随着这个全息虫洞的出现，还会有更多虫洞被模拟，被进一步仔细研究。人类的征程是星辰大海！

论文链接：

[1]https://www.nature.com/articles/s41586-022-05424-3

[2]https://www.quantamagazine.org/physicists-create-a-wormhole-using-a-quantum-computer-20221130/

[3]https://ai.googleblog.com/2022/11/making-traversable-wormhole-with.html

--翻译自：QuantamaGazine、整理自：机器之心、量子位、中国新闻网