史上第一个虫洞，被谷歌量子计算机造出来了

能用来“时空穿梭”的虫洞，竟然被谷歌量子计算机创造出来了？

就在刚刚，全息虫洞研究登上 Nature 封面，还被 Quanta Magazine 称为“有史以来创造出的第一个虫洞”。

此前在 2019 年，谷歌的研究人员就在实验室里捣鼓虫洞相关研究了。

没想到现在，科学家们不仅创造出了虫洞，还观察到了信息在虫洞之间传递的现象 ——

他们在一个 9 量子位电路上，构造了一个稀疏 Sachdev-Ye-Kitaev（SYK）模型，并观察到了虫洞的特征。

不过，先别急着幻想“空间跳跃”。

与我们想象中的引力虫洞不同，这个虫洞是量子虫洞，并不能穿越时空。

这次全息虫洞的进展，在于成功地将量子态通过虫洞，由一个量子系统传递到了另一个量子系统。

那么，这个量子虫洞究竟是什么，它又是如何被模拟出来的？

2D 时空“简化版”虫洞

虫洞是爱因斯坦和内森・罗森提出的一种理论，被假设为黑洞和白洞的连接。

它就像是一个通道一样，其特性是可以在另一边得到一个所谓的“镜射宇宙”。

但随着研究的深入，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”；至于量子态的量子虫洞，则被称之为“微型虫洞”，两者有很大的差异。

所以，为什么科学家们要这么执着于研究量子虫洞？

这是因为，广义相对论和量子力学虽然各自都发展了很长一段时间，但它们之间仍然有一个根本性的“冲突”——

量子引力。

这两个学说对量子引力的理论没有达成一个共识，解决办法之一就是证明全息原理（holographic principle），即用一个低维量子系统来描述一个涉及引力的系统。

全息原理中一个非常热门的实现就是 AdS/CFT 对偶（反德西特 / 共形场论对偶），它将量子场论和量子引力两种理论联系在了一起。

如果能想办法证明 AdS / CFT 理论猜想，那么就相当于证明了全息原理，进而将量子引力研究推动一大步。

这次登上 Nature 封面的“虫洞”，也是通过谷歌量子计算机模拟出来的量子虫洞，而且还是二维时空的。

基于 AdS / CFT 这套理论，2019 年谷歌的物理学家们提出了一种实验假说，认为一个在物理实验室中可以再造的量子态，能被解释为在两个黑洞之间的虫洞中穿越的信息。

现在，来自谷歌、MIT、费米实验室和加州理工学院的科学家们，用 9 个量子位、1 台量子计算机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，并将一个量子位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位“穿越虫洞”而来的信息，结果符合预期的引力性质。

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。

而且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。

那么，这个虫洞究竟是怎么被模拟出来的？

这个虫洞是如何模拟的？

要了解这个虫洞的产生过程，时间不得不顺着研究往前推移。

故事至少从 2013 年开始讲起。

当年的一次会议后，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。

具体而言，可以设想在两组纠缠粒子之间，穿上一根电线或其它任何的物理连接，让粒子们编码出虫洞的两个口。

在这种耦合作用下，操作其中一侧的粒子，会引起另一侧粒子的变化。

这样就有可能在两侧粒子之间撑开一个虫洞。

说干就干。Jafferis 联手当时哈佛的研究生 Ping Gao，以及访问学者 Aron Wall 开始进行研究。

直到 2016 年，三人最终计算得出：

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。

几个月后研究人员进一步证明了，可穿越虫洞可以在一个简单的环境中实现。

而量子系统就是一个足够简单、又可以尝试制造的“简单环境”。

说到这里，需要引入一个新概念：SYK（Sachdev-Ye-Kitaev）模型。

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。

到了 2019 年，Maldacena 和伙伴们找到一个具体的方法，可以将一个量子位信息，从一个四向相互作用的粒子系统传送到另一个粒子系统。

在对偶时空图中，旋转所有粒子的自旋方向，会转化为一种横扫虫洞的负能量冲击波。

冲击波能把量子位向前推动，还能在可预测的时间点把量子位踢出虫洞。

好了，说回 Jafferis 和他的研究。

2018 年，Jafferis 本人和许多谷歌量子人工智能（Google Quantum AI）的研究人员，一同加入了一个实验粒子物理学家的研究团队。

团队核心领导者参与了希格斯玻色子的发现（2012 年）。

实验团队的主要工作是“如何使用量子计算机进行全息量子引力实验”。

要知道，量子计算机虽然先进，但是仍然很容易出错。

要在上面运行 Jafferis 的那个虫洞传送协议，实验团队必须搞出协议的超级简化版本。

为什么呢？

因为一个完整的 SYK 模型，由几乎无限多的粒子组成。

当四向相互作用贯穿模型始终，这些粒子会以随机强度相互耦合。

因此，想要计算完整过程，几乎是天方夜谭。

为了将协议大大简化，实验团队稀疏化了 SYK 模型，只编码其中最强的四向相互作用（忽略其余的），同时保留模型的全息性质。

稀疏化的想法来自 ML，即试图通过把尽量多的权值设置为零，来限制神经网络中信息的细节。

与之类比，团队把一个大量子系统看作一个神经网络，通过反向传播更新系统的参数，一是保持重力特性，二是缩减系统的大小。

花费几年时间，团队终于利用上述的“聪明办法”，创建了这个只需要 7 个量子位和数百个操作的全息虫洞。

团队成员把 SYK 模型的粒子相互作用，映射到神经网络的神经元之间的连接上，并训练系统在保留虫洞特征的同时，尽量删除网络连接。

如此一来，四向相互作用的次数，从几百次骤减到 5 次。

事情突然变得（相对）简单了起来，实验团队开始编写 Sycamore 的量子位。

7 个量子位编码 14 个（左、右 SYK 模型各 7 个）物质粒子，左边的每个粒子都和右边的一个粒子纠缠。

第 8 个量子位处在状态 0 和 1 的概率组合中，然后与左边 SYK 模型中的一个粒子减缓。

这个量子位的可能状态很快就会与左边其它粒子的状态纠缠在一起，它的信息会很均匀地散布在他们中间，就像一滴墨水滴在水里然后均匀扩散开。

紧接着，旋转所有的量子位的自旋方向，与负能量冲击波横扫虫洞相对，这会导致从左侧 SYK 模型进入的量子位，转移到右侧 SYK 模型。

它们会重新聚焦在右边的一个粒子（左边粒子被交换后的纠缠对象）所在的位置。

然后要做的，就是测量这些量子位的状态，并将统计数据和从左侧进入的量子位的准备状态相比较，来证明量子位有没有从左到右被传送过来。

如果以一言以蔽之，那就是：

通过全息原理从量子信息的语言翻译成时空物理学，让一个粒子落入虫洞的一边，并观察它在另一边是否出现。

方法已经明了，具体要怎么观测呢？

实验团队在上述数据中，寻找代表两种情况的峰值。

如果能够看到峰值，就意味着双负能量冲击波的量子位旋转，允许量子位传送；而双正能量冲击波的相反方向旋转，不允许量子位传送（而且还会导致虫洞关闭）。

两年时间，实验团队一直在逐步改进，降低实验噪音。

这一点对测量信号至关重要，因为即使是 1.5 倍的噪音也会完全掩盖信号。

今年 1 月份的深夜，在团队成员的电脑屏幕上，峰值出现了！

在峰值截图旁，这名实验者写下：

我认为我们现在看到了一个虫洞。

这个峰值是“第一个在量子计算机上可以看到的量子引力的迹象”。

团队核心人物惊讶极了，清晰又明显的峰值，让她跟当初看到希格斯玻色子的数据时一样激动不已。

更重要的是，虽然这个虫洞结构简单，团队还是探测到了虫洞动力学的第二个特征，即“尺寸缠绕”（size-winding）。

这是信息在量子位之间传播和不传播的微妙模式。

目前，实验团队还没有训练神经网络来保存这个信号，因为这个信号让 SYK 模型稀疏化了。

当然，这次的实验也发现了另一个事实：无论 SYK 模型如何，尺寸缠绕这一特征都会出现。

这般如此，如此这般，耗费数年时间，这个虫洞终于由谷歌量子计算机模拟了出来~

不得不说，量子计算机是一种探索量子重力理论的工具。

这个工作，仅仅代表着使用量子计算机探究物理学的其中一个步骤。

尽管存在争议，但是这项前所未有的实验，探索了时空以某种方式从量子信息中产生的可能性。

随着量子装置的不断改进，错误率会更低，芯片会更强，那么对引力现象的研究也会更加深入。

而引力只是量子计算机探索复杂物理理论的独特能力的一个范例，量子计算机还能对时间晶体、量子混沌和化学进行洞悉和观察。

所以说，遇事不决，果然是可以量子力学的啊～

论文地址：

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

参考链接：

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

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

本文来自微信公众号：量子位 （ID：QbitAI），作者：衡宇 萧箫

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