物理学家是否在量子计算机中创造了虫洞？

一个不寻常的隐形传态实验使用普通的量子物理学，但灵感来自奇异的“玩具宇宙”中的隧道。

量子隐形传态实验的艺术表现。图片来源：inqnet/A。穆勒（加州理工学院）

物理学家已经使用量子计算机来执行一种新型的量子隐形传态，即在遥远的地方之间传输量子态的能力，就好像信息可以即时传播一样。尽管隐形传态是量子技术中的一项成熟技术，但最新实验的目的是模拟虚拟宇宙中称为虫洞的通道的行为。

11月30 日发表在《自然》杂志上的这项实验背后的研究人员表示，这是朝着使用普通量子物理学探索抽象宇宙的想法迈出的一步，在这些抽象宇宙中，引力和量子力学似乎可以和谐地协同工作。量子计算机可以帮助在这些“玩具”宇宙中发展量子引力理论。（为我们自己的宇宙发展量子引力理论是物理学中最大的开放性问题之一。）

“这是在真实实验室试验台上对量子引力思想的测试，”负责这项研究的帕萨迪纳加州理工学院粒子物理学家 Maria Spiropulu 说。

时空隧道
物理学家阿尔伯特·爱因斯坦和内森·罗森于 1935 年提出了虫洞的概念——穿越时空的通道可以连接黑洞的中心。他们计算出，原则上，爱因斯坦的广义相对论允许存在虫洞，该理论将引力解释为时空曲率的影响。（物理学家很快意识到，即使虫洞存在，它们也不太可能允许像科幻小说中的星际旅行那样的事情发生。）

因为最新的隐形传态实验使用了一个奇异的玩具宇宙，它没有模拟任何类似于爱因斯坦和罗森所设想的可能存在于我们宇宙中的虫洞。但它可以被解释为类似于研究人员虚拟系统中的虫洞——输入“虫洞”一侧的量子信息在另一侧重新出现。

“令人惊讶的不是这条信息以某种形式传播开来，而是它毫无遮掩地传播开来，”随附的《新闻与观点》文章的作者写道。“然而，这从引力描述中很容易理解：消息到达另一端时未加扰，因为它已经穿过了虫洞。”

奇异物理学
该实验的灵感来自早期的研究，该研究将奇异宇宙的物理学及其自身版本的引力与更标准但仍然虚拟的量子系统联系起来。主要思想是一些抽象版本的时空从生活在某种“影子世界”中的普通量子粒子的集体行为中浮现出来——类似于 2D 全息图如何产生 3D 图像的幻觉。这种“全息”行为决定了涌现的时空如何在自身上弯曲，从而产生引力效应。

虽然物理学家还不知道如何直接为涌现的宇宙编写引力的量子理论，但他们知道这种现象应该完全包含在影子世界的物理学中。这意味着诸如黑洞之类的引力现象——仍然对理论物理学家构成谜团——或虫洞必须与量子理论兼容。

最新的实验遵循了共同作者、马萨诸塞州剑桥市哈佛大学理论物理学家 Daniel Jafferis 及其合作者于 2017 年提出的方案2。这项工作专注于最简单的这种全息通信，以其创建者姓名的首字母命名为 SYK。在这个玩具模型宇宙中，空间只有一维，而不是三维。

在最新的研究中，Jafferis、Spiropulu 和他们的同事使用谷歌 Sycamore 处理器的量子比特模拟了这种全息图的更精简版本。他们希望他们模拟的量子粒子能够在虚拟宇宙中重现某些引力行为——但这些模型受到当前量子计算机能力的限制。Spiropulu 说：“我们必须找到一种能够保留引力特性的模型，并且我们可以在量子位数量有限的量子处理器上进行编码。” “我们将它缩小到一个婴儿模型，并检查它是否保留了引力动力学。”

“在我们开展这个项目之前，具有如此少量量子比特的系统并不会表现出这种现象，”Jafferis 补充道。

一些研究人员认为，这一研究方向是为我们自己的宇宙发展量子引力理论的一条有前途的途径，尽管其他人认为这是一条死胡同。剑桥麻省理工学院的数学家 Peter Shor 说，在谷歌处理器上测试的理论“与我们宇宙中任何可能的量子引力理论只有非常相切的关系”。

doi: https://doi.org/10.1038/d41586-022-04201-6