一個(gè)可以用來(lái)穿越時(shí)空的蟲(chóng)洞，居然是谷歌量子計(jì)算機(jī)創(chuàng)造的。

就在剛剛，全息蟲(chóng)洞的研究登上了《自然》的封面，被《量子》雜志稱(chēng)為有史以來(lái)創(chuàng)造的第一個(gè)蟲(chóng)洞。

此前，在2019年，谷歌研究人員正在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行蟲(chóng)洞相關(guān)的研究。

沒(méi)想到，現(xiàn)在，科學(xué)家不僅造出了蟲(chóng)洞，還觀測(cè)到了蟲(chóng)洞之間信息傳遞的現(xiàn)象——

他們?cè)?量子位電路上構(gòu)建了一個(gè)稀疏的Sachdev—Ye—Kitaev模型，并觀察到了蟲(chóng)洞的特征。

不過(guò)，先別夢(mèng)想空間跳躍。

與我們想象的引力蟲(chóng)洞不同，這個(gè)蟲(chóng)洞是量子蟲(chóng)洞，無(wú)法穿越時(shí)空。

這個(gè)全息蟲(chóng)洞的進(jìn)步在于通過(guò)蟲(chóng)洞成功地將量子態(tài)從一個(gè)量子系統(tǒng)傳輸?shù)搅硪粋€(gè)量子系統(tǒng)。

那么，這個(gè)量子蟲(chóng)洞是什么，又是如何模擬出來(lái)的呢。

2D時(shí)空簡(jiǎn)化版蟲(chóng)洞

蟲(chóng)洞是愛(ài)因斯坦和納森·羅森提出的理論，被認(rèn)為是黑洞和白洞之間的聯(lián)系。

它就像一個(gè)通道，它的特點(diǎn)是可以在另一邊得到一個(gè)所謂的鏡像宇宙。

但是伴隨著研究的深入，蟲(chóng)洞也分了很多類(lèi)型。

人們可以想象時(shí)空旅行的引力蟲(chóng)洞，更直觀的名稱(chēng)是時(shí)間洞，至于量子態(tài)的量子蟲(chóng)洞，則稱(chēng)之為微型蟲(chóng)洞，彼此差別很大。

那么，為什么科學(xué)家如此癡迷于研究量子蟲(chóng)洞呢。

這是因?yàn)?，盡管廣義相對(duì)論和量子力學(xué)都發(fā)展了很長(zhǎng)時(shí)間，但它們之間仍然存在根本的沖突

量子引力。

兩種理論在量子引力理論上還沒(méi)有達(dá)成共識(shí)解決方案之一是證明全息原理，即用低維量子系統(tǒng)描述一個(gè)涉及引力的系統(tǒng)

全息原理的一個(gè)非常流行的實(shí)現(xiàn)是AdS/CFT對(duì)偶，它連接了量子場(chǎng)論和量子引力論。

如果能找到證明AdS/CFT理論猜想的方法，就相當(dāng)于證明了全息原理，進(jìn)而將量子引力的研究向前推進(jìn)了一大步。

這次《自然》封面上的蟲(chóng)洞也是谷歌量子計(jì)算機(jī)模擬的量子蟲(chóng)洞，而且還是二維時(shí)空。

基于AdS/CFT理論，2019年，谷歌物理學(xué)家提出了一個(gè)實(shí)驗(yàn)假設(shè)，即一個(gè)可以在物理實(shí)驗(yàn)室中重現(xiàn)的量子態(tài)可以被解釋為信息通過(guò)兩個(gè)黑洞之間的蟲(chóng)洞。

現(xiàn)在，來(lái)自谷歌，麻省理工學(xué)院，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室和加州理工學(xué)院的科學(xué)家用9個(gè)量子比特和一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)模擬了相應(yīng)的量子動(dòng)力學(xué)。

在同一個(gè)量子芯片中，他們創(chuàng)造了兩個(gè)糾纏的量子系統(tǒng)，并將一個(gè)量子比特放入其中一個(gè)結(jié)果，他們?cè)诹硪粋€(gè)量子系統(tǒng)中觀測(cè)到這個(gè)量子位穿越蟲(chóng)洞的信息，結(jié)果符合預(yù)期的引力性質(zhì)

可是，谷歌量子計(jì)算機(jī)模擬的蟲(chóng)洞在學(xué)術(shù)界引起了很大的爭(zhēng)論。

一方認(rèn)為對(duì)正在研究的理論幫助不大:

荷蘭拉德堡大學(xué)的量子引力理論家雷納特·羅爾認(rèn)為，這個(gè)蟲(chóng)洞實(shí)驗(yàn)只討論了二維時(shí)空的情況，即研究是在一維空間加一維時(shí)間的情況下進(jìn)行的。

二維時(shí)空模擬蟲(chóng)洞

但是在我們現(xiàn)實(shí)生活的四維時(shí)空中，量子引力更加復(fù)雜:

做這種實(shí)驗(yàn)，很容易把人引入對(duì)2D玩具模型的研究，卻忽略了四維時(shí)空和二維時(shí)空的量子引力差異。

我看不出量子計(jì)算機(jī)能對(duì)理論有多大幫助但如果我錯(cuò)了，我愿意接受指正

另一方面，雖然二維時(shí)空和四維時(shí)空有區(qū)別，但這個(gè)實(shí)驗(yàn)還是可以獲得很多普適的經(jīng)驗(yàn)。

而伴隨著這個(gè)全息蟲(chóng)洞的出現(xiàn)，將會(huì)有更多的蟲(chóng)洞被模擬出來(lái)，并被進(jìn)一步仔細(xì)研究。

那么，這個(gè)蟲(chóng)洞是怎么模擬出來(lái)的呢。

這個(gè)蟲(chóng)洞是怎么模擬出來(lái)的。

要了解這個(gè)蟲(chóng)洞的生成過(guò)程，時(shí)間還得伴隨著研究往前走。

故事至少開(kāi)始于2013年。

在那一年的一次會(huì)議后，丹尼爾·杰斐里斯——來(lái)自哈佛大學(xué)，蟲(chóng)洞傳輸協(xié)議的首席開(kāi)發(fā)者和《自然》雜志封面的合著者——有了一個(gè)想法:

通過(guò)推測(cè)的對(duì)偶性，可以通過(guò)調(diào)整糾纏模式來(lái)設(shè)計(jì)特定的蟲(chóng)洞。

丹尼爾·杰弗里斯

具體來(lái)說(shuō)，可以想象在兩組糾纏的粒子之間，可以放上一根導(dǎo)線或者其他任何物理連接，讓粒子對(duì)蟲(chóng)洞的兩個(gè)開(kāi)口進(jìn)行編碼。

在這種耦合作用下，操縱一邊的粒子會(huì)引起另一邊粒子的變化。

這使得在兩邊的粒子之間打開(kāi)一個(gè)蟲(chóng)洞成為可能。

說(shuō)了就做了杰弗里斯與當(dāng)時(shí)哈佛大學(xué)的研究生高萍和訪問(wèn)學(xué)者阿倫·沃爾聯(lián)手開(kāi)始了這項(xiàng)研究

直到2016年，三人終于算出來(lái):

通過(guò)耦合兩組糾纏粒子，當(dāng)對(duì)左邊的一組粒子進(jìn)行操作時(shí)，在雙高緯時(shí)空?qǐng)D像中，通過(guò)向右打開(kāi)蟲(chóng)洞，可以推過(guò)一個(gè)量子位。

他們發(fā)現(xiàn)的蟲(chóng)洞是全息的，可以穿越。

幾個(gè)月后，研究人員進(jìn)一步證明了蟲(chóng)洞可以在簡(jiǎn)單的環(huán)境下穿越。

量子系統(tǒng)是一個(gè)簡(jiǎn)單的環(huán)境，足夠簡(jiǎn)單，可以制造。

說(shuō)到這里，我們需要引入一個(gè)新的概念:SYK模式。

簡(jiǎn)單來(lái)理解，SYK模型是一個(gè)物質(zhì)粒子的系統(tǒng)，在群體中相互作用，這個(gè)模型在2015年被發(fā)現(xiàn)是全息的。

到2019年，Maldacena和他的合作伙伴已經(jīng)找到了一種具體的方法，可以將一個(gè)量子比特信息從一個(gè)四向相互作用的粒子系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)粒子系統(tǒng)。

在雙時(shí)空?qǐng)D中，旋轉(zhuǎn)所有粒子的自旋方向會(huì)被轉(zhuǎn)換成負(fù)能量沖擊波，席卷蟲(chóng)洞。

沖擊波可以推動(dòng)量子位前進(jìn)，并在可預(yù)測(cè)的時(shí)間將其踢出蟲(chóng)洞。

好吧，回到杰斐里斯和他的研究。

2018年，Jafferis本人和谷歌量子人工智能的許多研究人員加入了一個(gè)由實(shí)驗(yàn)粒子物理學(xué)家組成的研究團(tuán)隊(duì)。

核心團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人參與了希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)。

實(shí)驗(yàn)組的主要工作是如何利用量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行全息量子引力實(shí)驗(yàn)。

要知道，量子計(jì)算機(jī)雖然先進(jìn)，但還是容易出錯(cuò)。

要在上面運(yùn)行Jafferis的蟲(chóng)洞傳輸協(xié)議，實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)必須拿出一個(gè)超級(jí)簡(jiǎn)化版本的協(xié)議。

為什么。

因?yàn)橐粋€(gè)完整的SYK模型幾乎由無(wú)限個(gè)粒子組成。

當(dāng)四向相互作用貫穿模型時(shí)，這些粒子會(huì)以隨機(jī)的強(qiáng)度相互耦合。

因此，要計(jì)算整個(gè)過(guò)程幾乎是不可能的。

為了大大簡(jiǎn)化協(xié)議，實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)對(duì)SYK模型進(jìn)行了細(xì)化，只對(duì)最強(qiáng)的四向相互作用進(jìn)行編碼，同時(shí)保留了模型的全息屬性。

稀疏性的思想來(lái)自ML，它試圖通過(guò)將盡可能多的權(quán)重設(shè)置為零來(lái)限制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的信息細(xì)節(jié)。

以此類(lèi)推，團(tuán)隊(duì)將大量子系統(tǒng)視為一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)反向傳播來(lái)更新系統(tǒng)的參數(shù)一是保持重力特性，二是減小系統(tǒng)尺寸

學(xué)習(xí)制作稀疏量子系統(tǒng)捕捉引力動(dòng)力學(xué)的過(guò)程。

經(jīng)過(guò)數(shù)年時(shí)間，團(tuán)隊(duì)終于用上述聰明的方法創(chuàng)造出了這個(gè)只需要七個(gè)量子位和數(shù)百次運(yùn)算的全息蟲(chóng)洞。

該團(tuán)隊(duì)將SYK模型的粒子相互作用映射到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)元之間的連接，并訓(xùn)練系統(tǒng)在保留蟲(chóng)洞特征的同時(shí)盡可能刪除網(wǎng)絡(luò)連接。

結(jié)果，四方互動(dòng)的數(shù)量從幾百個(gè)下降到五個(gè)。

事情突然變得簡(jiǎn)單起來(lái)，實(shí)驗(yàn)組開(kāi)始寫(xiě)梧桐樹(shù)的量子位。

7個(gè)量子位編碼14個(gè)物質(zhì)粒子，左邊的每個(gè)粒子和右邊的一個(gè)粒子糾纏在一起。

第8個(gè)量子位處于狀態(tài)0和1的概率組合中，然后伴隨著左SYK模型中的一個(gè)粒子而變慢。

這個(gè)量子位的可能狀態(tài)很快就會(huì)和左邊其他粒子的狀態(tài)糾纏在一起，它的信息會(huì)均勻分布在其中，就像一滴墨水滴在水里，然后均勻擴(kuò)散。

然后，旋轉(zhuǎn)所有量子比特的自旋方向，與負(fù)能量沖擊波掃過(guò)蟲(chóng)洞的方向相反，會(huì)導(dǎo)致從左側(cè)SYK模型進(jìn)入的量子比特轉(zhuǎn)移到右側(cè)SYK模型。

它們將重新聚焦在右邊粒子的位置。

然后，我們需要做的是測(cè)量這些量子比特的狀態(tài)，將統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)與從左側(cè)進(jìn)入的量子比特的準(zhǔn)備狀態(tài)進(jìn)行比較，證明量子比特是否從左向右傳輸。

如果用一句話來(lái)說(shuō)，就是:

用全息原理從量子信息的語(yǔ)言翻譯到時(shí)空物理學(xué)，讓一個(gè)粒子掉進(jìn)蟲(chóng)洞的一邊，觀察它是否出現(xiàn)在另一邊。

方法明確，具體怎么觀察。

在上面的數(shù)據(jù)中，實(shí)驗(yàn)小組尋找代表兩種情況的峰值。

如果能看到峰值，說(shuō)明雙負(fù)能量沖擊波的量子位旋轉(zhuǎn)，允許量子位被傳輸，而雙正能量沖擊波反方向旋轉(zhuǎn)，不允許量子比特傳輸。

兩年來(lái)，實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)一直在逐步改進(jìn)和降低實(shí)驗(yàn)噪音。

這對(duì)于測(cè)量信號(hào)非常重要，因?yàn)榧词故?.5倍的噪聲也會(huì)完全掩蓋信號(hào)。

今年1月的一個(gè)深夜，團(tuán)隊(duì)成員的電腦屏幕上，出現(xiàn)了高峰！

在峰值截圖旁邊，這位實(shí)驗(yàn)者寫(xiě)道:

我想我們現(xiàn)在看到了一個(gè)蟲(chóng)洞。

這個(gè)峰值是量子計(jì)算機(jī)上可以看到的量子引力的第一個(gè)跡象。

核心團(tuán)隊(duì)成員異常驚訝，清晰明顯的峰值讓她和第一次看到希格斯玻色子數(shù)據(jù)時(shí)一樣興奮。

更重要的是，雖然這個(gè)蟲(chóng)洞結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是團(tuán)隊(duì)已經(jīng)探測(cè)到了蟲(chóng)洞動(dòng)力學(xué)的第二個(gè)特征，即大小糾纏。

這是量子位之間信息傳播與不傳播的微妙模式。

目前，實(shí)驗(yàn)小組還沒(méi)有訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)保存這個(gè)信號(hào)，因?yàn)檫@個(gè)信號(hào)使得SYK模型變得稀疏。

當(dāng)然，這個(gè)實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)了另一個(gè)事實(shí):無(wú)論SYK模型是什么，都會(huì)出現(xiàn)尺寸糾纏的特征。

所以，所以，用了好幾年，這個(gè)蟲(chóng)洞終于被谷歌量子計(jì)算機(jī)模擬出來(lái)了~

不得不說(shuō)，量子計(jì)算機(jī)是探索量子引力理論的工具。

這項(xiàng)工作只是代表了利用量子計(jì)算機(jī)探索物理的一個(gè)步驟。

盡管存在爭(zhēng)議，但這項(xiàng)前所未有的實(shí)驗(yàn)探索了時(shí)間和空間可以以某種方式從量子信息中產(chǎn)生的可能性。

伴隨著量子器件的不斷完善，錯(cuò)誤率會(huì)更低，芯片會(huì)更強(qiáng)，對(duì)引力的研究會(huì)更深入。

引力只是量子計(jì)算機(jī)探索復(fù)雜物理理論的獨(dú)特能力的一個(gè)例子量子計(jì)算機(jī)還可以辨別和觀察時(shí)間晶體，量子混沌和化學(xué)

所以，沒(méi)決定什么就可以做量子力學(xué)是真的~

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