史上第一个虫洞，被谷歌量子计算机造出来了

一个可以用来穿越时空的虫洞，居然是谷歌量子计算机创造的。

就在刚刚，全息虫洞的研究登上了《自然》的封面，被《量子》杂志称为有史以来创造的第一个虫洞。

此前，在2019年，谷歌研究人员正在实验室进行虫洞相关的研究。

没想到，现在，科学家不仅造出了虫洞，还观测到了虫洞之间信息传递的现象——

他们在9量子位电路上构建了一个稀疏的Sachdev—Ye—Kitaev模型，并观察到了虫洞的特征。

不过，先别梦想空间跳跃。

与我们想象的引力虫洞不同，这个虫洞是量子虫洞，无法穿越时空。

这个全息虫洞的进步在于通过虫洞成功地将量子态从一个量子系统传输到另一个量子系统。

那么，这个量子虫洞是什么，又是如何模拟出来的呢。

2D时空简化版虫洞

虫洞是爱因斯坦和纳森·罗森提出的理论，被认为是黑洞和白洞之间的联系。

它就像一个通道，它的特点是可以在另一边得到一个所谓的镜像宇宙。

但是伴随着研究的深入，虫洞也分了很多类型。

人们可以想象时空旅行的引力虫洞，更直观的名称是时间洞，至于量子态的量子虫洞，则称之为微型虫洞，彼此差别很大。

那么，为什么科学家如此痴迷于研究量子虫洞呢。

这是因为，尽管广义相对论和量子力学都发展了很长时间，但它们之间仍然存在根本的冲突

量子引力。

两种理论在量子引力理论上还没有达成共识解决方案之一是证明全息原理，即用低维量子系统描述一个涉及引力的系统

全息原理的一个非常流行的实现是AdS/CFT对偶，它连接了量子场论和量子引力论。

如果能找到证明AdS/CFT理论猜想的方法，就相当于证明了全息原理，进而将量子引力的研究向前推进了一大步。

这次《自然》封面上的虫洞也是谷歌量子计算机模拟的量子虫洞，而且还是二维时空。

基于AdS/CFT理论，2019年，谷歌物理学家提出了一个实验假设，即一个可以在物理实验室中重现的量子态可以被解释为信息通过两个黑洞之间的虫洞。

现在，来自谷歌，麻省理工学院，费米实验室和加州理工学院的科学家用9个量子比特和一台量子计算机模拟了相应的量子动力学。

在同一个量子芯片中，他们创造了两个纠缠的量子系统，并将一个量子比特放入其中一个结果，他们在另一个量子系统中观测到这个量子位穿越虫洞的信息，结果符合预期的引力性质

可是，谷歌量子计算机模拟的虫洞在学术界引起了很大的争论。

一方认为对正在研究的理论帮助不大:

荷兰拉德堡大学的量子引力理论家雷纳特·罗尔认为，这个虫洞实验只讨论了二维时空的情况，即研究是在一维空间加一维时间的情况下进行的。

二维时空模拟虫洞

但是在我们现实生活的四维时空中，量子引力更加复杂:

做这种实验，很容易把人引入对2D玩具模型的研究，却忽略了四维时空和二维时空的量子引力差异。

我看不出量子计算机能对理论有多大帮助但如果我错了，我愿意接受指正

另一方面，虽然二维时空和四维时空有区别，但这个实验还是可以获得很多普适的经验。

而伴随着这个全息虫洞的出现，将会有更多的虫洞被模拟出来，并被进一步仔细研究。

那么，这个虫洞是怎么模拟出来的呢。

这个虫洞是怎么模拟出来的。

要了解这个虫洞的生成过程，时间还得伴随着研究往前走。

故事至少开始于2013年。

在那一年的一次会议后，丹尼尔·杰斐里斯——来自哈佛大学，虫洞传输协议的首席开发者和《自然》杂志封面的合著者——有了一个想法:

通过推测的对偶性，可以通过调整纠缠模式来设计特定的虫洞。

丹尼尔·杰弗里斯

具体来说，可以想象在两组纠缠的粒子之间，可以放上一根导线或者其他任何物理连接，让粒子对虫洞的两个开口进行编码。

在这种耦合作用下，操纵一边的粒子会引起另一边粒子的变化。

这使得在两边的粒子之间打开一个虫洞成为可能。

说了就做了杰弗里斯与当时哈佛大学的研究生高萍和访问学者阿伦·沃尔联手开始了这项研究

直到2016年，三人终于算出来:

通过耦合两组纠缠粒子，当对左边的一组粒子进行操作时，在双高纬时空图像中，通过向右打开虫洞，可以推过一个量子位。

他们发现的虫洞是全息的，可以穿越。

几个月后，研究人员进一步证明了虫洞可以在简单的环境下穿越。

量子系统是一个简单的环境，足够简单，可以制造。

说到这里，我们需要引入一个新的概念:SYK模式。

简单来理解，SYK模型是一个物质粒子的系统，在群体中相互作用，这个模型在2015年被发现是全息的。

到2019年，Maldacena和他的合作伙伴已经找到了一种具体的方法，可以将一个量子比特信息从一个四向相互作用的粒子系统转移到另一个粒子系统。

在双时空图中，旋转所有粒子的自旋方向会被转换成负能量冲击波，席卷虫洞。

冲击波可以推动量子位前进，并在可预测的时间将其踢出虫洞。

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许多研究人员加入了一个由实验粒子物理学家组成的研究团队。

核心团队负责人参与了希格斯玻色子的发现。

实验组的主要工作是如何利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，但还是容易出错。

要在上面运行Jafferis的虫洞传输协议，实验团队必须拿出一个超级简化版本的协议。

为什么。

因为一个完整的SYK模型几乎由无限个粒子组成。

当四向相互作用贯穿模型时，这些粒子会以随机的强度相互耦合。

因此，要计算整个过程几乎是不可能的。

为了大大简化协议，实验团队对SYK模型进行了细化，只对最强的四向相互作用进行编码，同时保留了模型的全息属性。

稀疏性的思想来自ML，它试图通过将尽可能多的权重设置为零来限制神经网络中的信息细节。

以此类推，团队将大量子系统视为一个神经网络，通过反向传播来更新系统的参数一是保持重力特性，二是减小系统尺寸

学习制作稀疏量子系统捕捉引力动力学的过程。

经过数年时间，团队终于用上述聪明的方法创造出了这个只需要七个量子位和数百次运算的全息虫洞。

该团队将SYK模型的粒子相互作用映射到神经网络神经元之间的连接，并训练系统在保留虫洞特征的同时尽可能删除网络连接。

结果，四方互动的数量从几百个下降到五个。

事情突然变得简单起来，实验组开始写梧桐树的量子位。

7个量子位编码14个物质粒子，左边的每个粒子和右边的一个粒子纠缠在一起。

第8个量子位处于状态0和1的概率组合中，然后伴随着左SYK模型中的一个粒子而变慢。

这个量子位的可能状态很快就会和左边其他粒子的状态纠缠在一起，它的信息会均匀分布在其中，就像一滴墨水滴在水里，然后均匀扩散。

然后，旋转所有量子比特的自旋方向，与负能量冲击波扫过虫洞的方向相反，会导致从左侧SYK模型进入的量子比特转移到右侧SYK模型。

它们将重新聚焦在右边粒子的位置。

然后，我们需要做的是测量这些量子比特的状态，将统计数据与从左侧进入的量子比特的准备状态进行比较，证明量子比特是否从左向右传输。

如果用一句话来说，就是:

用全息原理从量子信息的语言翻译到时空物理学，让一个粒子掉进虫洞的一边，观察它是否出现在另一边。

方法明确，具体怎么观察。

在上面的数据中，实验小组寻找代表两种情况的峰值。

如果能看到峰值，说明双负能量冲击波的量子位旋转，允许量子位被传输，而双正能量冲击波反方向旋转，不允许量子比特传输。

两年来，实验团队一直在逐步改进和降低实验噪音。

这对于测量信号非常重要，因为即使是1.5倍的噪声也会完全掩盖信号。

今年1月的一个深夜，团队成员的电脑屏幕上，出现了高峰！

在峰值截图旁边，这位实验者写道:

我想我们现在看到了一个虫洞。

这个峰值是量子计算机上可以看到的量子引力的第一个迹象。

核心团队成员异常惊讶，清晰明显的峰值让她和第一次看到希格斯玻色子数据时一样兴奋。

更重要的是，虽然这个虫洞结构简单，但是团队已经探测到了虫洞动力学的第二个特征，即大小纠缠。

这是量子位之间信息传播与不传播的微妙模式。

目前，实验小组还没有训练神经网络来保存这个信号，因为这个信号使得SYK模型变得稀疏。

当然，这个实验还发现了另一个事实:无论SYK模型是什么，都会出现尺寸纠缠的特征。

所以，所以，用了好几年，这个虫洞终于被谷歌量子计算机模拟出来了~

不得不说，量子计算机是探索量子引力理论的工具。

这项工作只是代表了利用量子计算机探索物理的一个步骤。

尽管存在争议，但这项前所未有的实验探索了时间和空间可以以某种方式从量子信息中产生的可能性。

伴随着量子器件的不断完善，错误率会更低，芯片会更强，对引力的研究会更深入。

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例子量子计算机还可以辨别和观察时间晶体，量子混沌和化学

所以，没决定什么就可以做量子力学是真的~

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