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

来源:FUTURE远见  作者:-  日期:2022-12-02 13:14:22

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。

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封面文章第1张

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。

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封面文章第2张

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。

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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

分类:量子
编辑:tmt
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