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物理学家用一台量子计算机创造一个全息的虫洞

2022-12-06 19:30阅读：

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物理学家用一台量子计算机创造一个全息的虫洞

 这个前所未有的实验探索空时不知怎的从量子信息浮现的可能性，甚至就像这项工作的解释仍被争议的一样。
研究人员能够通过一个开放虫洞发送信号，尽管不清楚在什么意义上这个虫洞能被说来存在的。

Kim Taylor for Quanta Magazine

ByNatalie Wolchover
Senior Editor
November 30, 2022

据称物理学家已经创造了从来第一个虫洞，一种由阿尔伯特·爱因斯坦和内森·罗森在1935年理论化的隧道，通过一个额外的空间维度引导从一个地方另一个地方。
浮现的虫洞就像一个出自信息的量子比特或“量子位”的全息图一样存储在微小的超导电路中。物理学家今天在《
自然》杂志上报道了通过操纵量子比特然后通过这个虫洞发送信息。
由加州理工学院的玛丽亚·斯皮罗普鲁领导的该团队用谷歌的量子计算机一种叫悬铃木的安装在加州圣巴巴拉的谷歌量子人工智能的装置执行了新颖的“虫洞隔空传送协议”。正如斯皮罗普鲁描述它的那样，用这个同类第一次“在一个芯片上的量子引力实验”，她和她的团队击败一个旨在用IBM和量子公司的量子计算机来做虫洞隔空传送的竞争的物理学家团队。
当斯皮罗普鲁看到表明量子比特正在通过这个虫洞的关键签名时她说 “我被震惊了。”
这个实验能被视为全息原理的证据，全息原理是一个关于基础物理学、量子力学和广义相对论这两大支柱怎样一起适合的扫荡的假设。自20世纪30年代以来，物理学家们一直努力来调和这些脱节的理论------一种对原子和亚原子粒子是规则手册，另一种爱因斯坦的物质和能量怎样翘曲空时织造、产生引力的描述。全息原理自20世纪90年代以来上升的，摆出这两个框架之间的一个数学等价性或“二元性”。它说被广义相对论描述的弯曲的空时连续体真的是一个伪装中的粒子的量子系统。空时和引力从量子效应浮现，就像一个二维模式的一个三维全息图投射出来一样。
视频：虫洞几乎在大约一个世纪前就被设想，但它将要用许多理论的飞跃和一个“疯狂的”实验团队来在量子计算机上建造一个虫洞。Emily Buder, Bongani Mlambo, Ibrahim Rayintakath, Rui Braz and Kim Taylor for Quanta Magazine; Kristina Armitage/Quanta Magazine
真的这个新的实验证实我们能在一台量子计算机中控制的量子效应的类型，能诞生一种我们期望在相对论中看到的现象------一个虫洞。加州理工学院的理论物理学家约翰·普雷斯基尔说，悬铃木芯片中进化的量子比特系统“有这个真的酷的替代描述”，他没有参与实验。“你能以一种非常不同的语言把这个系统认为是引力” 。
需要澄清的是，不像一个普通的全息图一样，这个虫洞不是某些我们能看到的东西。虽然它能被考虑为是“一个真实空时的细丝”，按照哈佛大学的合著者丹尼尔·贾弗里斯，他是虫洞隔空传送协议的主要开发者，但它不是我们和悬铃木计算机居住的同一现实的部分。全息原理说这两个现实------一个有虫洞的和一个有量子比特的------是同一物理学的替代的版本，但怎样概念化这种二元性仍然神秘的。
关于这个结果的基本涵义意见将不同的。至关重要的是，实验中的全息虫洞由一种不同于我们自己宇宙的空时组成。是否这个实验进一步我们居住的空时也是由量子比特模式的全息的假设是有争议的。
贾弗里斯说，“我认为我们宇宙中的引力以这个微小的婴儿一维虫洞从悬铃木芯片中一样的方式从某些量子比特浮现的，当然我们不确定那个。我们正试图来理解它。”
进入这个虫洞
全息虫洞的故事追溯回到1935年发表的两篇看似无关的论文：一篇是由爱因斯坦和罗森发表的被称为ER，另一篇是由他们两人和鲍里斯·波多尔斯基发表的被称为EPR。ER和EPR论文最初都被判断为伟大爱因斯坦的边缘作品，那个已经改变化了。
在ER论文中，爱因斯坦和他的年轻助手罗森在试图将广义相对论扩展到一切的统一理论时绊倒在虫洞的可能性上------一个不仅空时的描述，而且它之内悬浮的亚原子粒子的描述。他们已经集中在德国物理学家兼士兵卡尔·史瓦西在1916年在广义相对论的褶皱中发现的空时织造的障碍上，就在爱因斯坦发表了该理论几个月后。史瓦西证明了质量能引力上吸引它自己如此多以至于在某个点上它变得无限的集中，在那里如此剧烈弯曲的空时以至于变量变成无限而爱因斯坦的方程不功能。我们现在知道这些“奇点”存在于整个宇宙。它们是我们既不能描述也不能看到的点，每一个点都隐藏在一个黑洞的中心，引力上陷住附近所有的光。奇点是最需要量子引力理论的地方。
物理学家用一台量子计算机创造一个全息的虫洞
左边是1920年的阿尔伯特·爱因斯坦和右边是内森·罗森，1955年拍摄。在1935年的一篇论文中偶然碰到了虫洞的可能性。The Scientific Monthly (left); AIP Emilio Segrè Visual Archives, Physics Today Collection
爱因斯坦和罗森推测了史瓦西的数学可能是一种将基本粒子插入广义相对论的方法。为了使这幅图片工作，他们从他的方程中剪出了奇点，交换进新的用一个滑动到空时的另一个部分的超维度管取代了尖锐点的变量，爱因斯坦和罗森争论了这些“桥”（或虫洞）可能代表粒子。
具有讽刺意味的是，在努力将虫洞和粒子联系起来中，两人并没有考虑两个月前他们已经与波多尔斯基在EPR论文中识别的奇怪的粒子现象。
当两个粒子相互作用时纠缠发生。按照量子规则，粒子能同时有多个可能的状态。这意味着粒子之间的一个相互作用有多种可能的结果，这取决于每个粒子一开始处于哪个状态。然而，它们的结果状态将总被联系------粒子A最终取决于粒子B原来是的结果。在这样一种相互作用后，粒子有一个共享的指定它们可能处于各种组合状态中的公式。
造成EPR作者来怀疑量子理论的令人震惊的结果就像是爱因斯坦所说的“在距离上的幽灵行动”一样：测量粒子A（它从它的可能性中挑出一个现实）瞬间的决定B的相应状态，无论B有多远。
自从物理学家在20世纪90年代发现它以来纠缠已经以它允许新的计算类型的直觉的重要性涌现出来。纠缠的两个量子比特------量子对象比如存在于0和1两个可能状态中的粒子------产生四个有不同可能性的可能状态（0和0、0和1、1和0、1和1）。三个量子比特同时做出八种可能性，以此类推；一台“量子计算机”的能力随每增加一个纠缠量子比特呈指数级增长。巧妙地协调纠缠，你能抵消0和1的所有组合，除了对一个计算的序列给出答案。在过去的几年里，由几十个量子比特制做的54量子比特悬铃木机器领导的原型量子计算机已经物质化。
与此同时，为另一个原因量子引力研究人员已经固定在量子纠缠上：作为空时全息图的可能源代码。
ER = EPR
谈论浮现的空时和全息图始于20世纪80年代末，在黑洞理论家约翰·惠勒宣扬了空时和它之中的一切都可能从信息涌现的观点之后。很快包括荷兰物理学家杰拉德·格尔特·胡夫特在内的其他研究人员好奇了是否这种浮现类似于一个全息图的投影。在黑洞研究和弦理论中例子已经出现了，其中一个物理场景的描述可以被转化成一个有一个额外的空间维度的有效的实在的它的观望。在1994年的一篇题为“世界为一个全息图”的论文中，斯坦福大学的量子引力理论家伦纳德·苏斯金德充实了胡夫特的全息原理，争论一个被广义相对论描述的弯曲空时的体积对一个在该区域的更低维边界上的量子粒子系统是等价的或“对偶的”。
三年后，全息术的一个重要例子到达了。现在在新泽西普林斯顿先进研究所的量子引力理论家胡安·马尔达塞纳发现了一种叫反德西特（AdS）空间的空间真的是一种全息图。
物理学家用一台量子计算机创造一个全息的虫洞
胡安·马尔达塞纳（左）和伦纳德·苏斯金德是被称为全息术的量子引力方法的领导者。2013年，他们提出了在时空中的虫洞等同于量子纠缠，一个被称为ER = EPR的猜想。Sasha Maslov for Quanta Magazine (left); Linda A. Cicero/Stanford News Service
实际的宇宙是德西特空间，一个越发增长的被它的自身正能量驱动的球体。相比之下，反德西特空间被注入了负能量------源自广义相对论方程中一个常数符号的差异------给空间一个“双曲线的”几何：物体随它们空间中心向外移动收缩，在外边界处变得无穷小。马尔达塞纳表明了在一个反德西特宇宙中空时和引力刚好对应在边界上一个量子系统的属性（特别是一个称为保形场论或CFT的系统）。
马尔达塞纳1997年的爆炸论文描述这个“AdS/CFT对应性”已经被随后的研究引用了22000次------平均每天两次以上。哥伦比亚大学的数学物理学家彼得·沃特说，“几十年来，试图利用基于AdS/CFT的想法一直是数千名最佳理论家的主要目标” 。
随马尔达塞纳他自己探索他的动态空时和量子系统之间的AdS/CFT映射，他做出了一个关于虫洞的新发现。他正在研究一种特殊的涉及纠缠两组粒子其中一组粒子中的每个粒子被另一组中的一个粒子纠缠的模式。马尔达塞纳表明了这种状态对一个相当急剧的全息图数学上是对偶的：一对在反德西特空间中的黑洞，它们经由一个虫洞内部连接。
2013年，在马尔达塞纳（他说“老实说我不记得了，”）意识到他的发现可能标志一个量子纠缠和经由虫洞连接之间更普遍的对应性不得不过去了十年。他在给苏斯金德的电子邮件中捏造了一个神秘的小方程式------ER=EPR，苏斯金德立即的理解了。两个人迅速的一起发展了这个猜想，写道“我们争论两个黑洞之间的爱因斯坦罗森桥被EPR-一样的两个黑洞之间的微状态共相关” ，而这个二元性可能比这 “很容易来认为任何EPR共相关的系统被某种ER桥链接”更一般。
也许一个虫洞在宇宙中连接每一对纠缠的粒子，锻造一个记录它们共享的历史的空间联系。也许爱因斯坦的虫洞与粒子要做的预感是正确的。
一个坚固的桥梁
当贾弗里斯在2013年的一次讲座中听了马尔达塞纳关于ER = EPR时，他意识到推测的二元性应该允许你通过定制纠缠模式来设计被讲到的虫洞。
标准的爱因斯坦-罗森桥对各地的科幻迷是一个失望：如果形成一个，它会在它自身的引力下快的坍塌并在一艘宇宙飞船或其他任何东西可能通过之前被夹掉。但贾菲里斯想象了在编码一个虫洞的两个嘴巴的两组纠缠粒子之间绳一条线或任何其他物理连接。用这种耦合，操作在一边上的粒子会引起在另一边上的粒子的变化，可能蹦开它们之间的虫洞。贾弗里斯好奇的回忆“这会使虫洞可穿越吗？”从小就着迷于虫洞-----他是一名物理神童，14岁开始在耶鲁大学学习------贾弗里斯“几乎为好玩”追求了这个问题。
回到哈佛大学，他和他当时的研究生高平以及当时的访问研究员阿伦·沃尔最终计算出真的通过耦合两组纠缠的粒子，你能在设定双高维空时图片中左边执行一个保持打开虫洞导致右边嘴的操作推动一个量子比特通过。
贾弗里斯、高和沃尔的2016年的这个全息的、可穿越的虫洞发现给了研究人员探究全息力学一个新的窗口。贾弗里斯说，“事实是如果你从外面做正确的事情，你能最终通过，它也意味着你能看内部。这意味着通过一些连接的几何结构探索两个纠缠系统被描述的事实是有可能的” 。
几个月内，马尔达塞纳和两位同事在这个方案的基础上展示了可穿越的虫洞可以在一个简单的设置中实现——贾弗里斯说，“一个量子系统足够简单，我们可以想象制造它”。
SYK模型如它被叫的是一个以群相互作用的物质粒子的系统，而不是通常的对。这个模型被苏比尔·萨克德夫和叶金武于1993年首次描述， 2015年当理论物理学家阿列克谢·基塔耶夫发现了它是全息的时开始这个模型突然变得远更重要。在一个在加州圣巴巴拉的讲座上，基塔耶夫（成为SYK中的K）用其中物质粒子以四的群交互对反德西特空间中的一维黑洞数学上是可映射的模型的特定版本的证据添满了几个黑板，有相同的对称性和其他属性。他告诉一群全神贯注的听众，“在两种情况下一些回答是一样的” ，马尔达塞纳正坐在前排。
物理学家用一台量子计算机创造一个全息的虫洞
Merrill Sherman/Quanta Magazine
马尔达塞纳和合著者提出了连接这些点两个链接在一起的SYK模型可以编码贾弗里斯、高和沃尔的可穿越虫洞的嘴。贾弗里斯和高跟着方法跑。到2019年，他们发现了一个具体的从一个四路相互作用的粒子系统到另一个系统隔空传输一个量子比特信息的方法。在双空时图片中，进入一个扫荡过这个虫洞的负能量冲击踢量子比特向前，在一个可预测的时间从嘴里出来。
亚历克斯·兹洛卡帕说，“贾弗里斯的虫洞是ER = EPR的第一个具体实现，在那里他显示这种关系完全的把持一个特定的系统” ，他是麻省理工学院的研究生，也是这个新实验的合著者。
实验室的虫洞
随理论工作正在发展，一位参与了2012年希格斯玻色子发现的成功的实验粒子物理学家玛丽亚·斯皮罗普鲁正在思考如何来用新生的量子计算机来做全息量子引力实验。2018年，她说服贾弗里斯加入她不断壮大的团队，一道有谷歌量子人工智能的研究人员------悬铃木装置的管理者。
为了在最先进的但仍然很小且容易出错的量子计算机上运行贾弗里斯和高的虫洞隔空传输协议，斯皮罗普鲁的团队必须大大简化该协议。一个完整的SYK模型实际上由无限多个彼此耦合的粒子组成有四路相互作用一直发生的随机强度。这对计算是不可行的；甚至用所有50多个可用量子比特会需要数十万个电路操作。研究人员开始创建一个只有7个量子比特和数百个操作的全息虫洞。为了做到这一点，他们不得不“稀疏化”七粒子SYK模型，只编码最强的四路相互作用并省略其余的，同时保留模型的全息属特。斯皮罗普鲁说，“这花了几年时间来弄清楚一个聪明的来做它的方法” 。
物理学家用一台量子计算机创造一个全息的虫洞
加州理工学院的物理学家玛丽亚·斯皮罗普鲁领导了新虫洞实验背后的团队。Bongani Mlambo for Quanta Magazine
成功的一个秘密是一个小管弦乐队的孩子的兹洛卡帕，他作为加州理工学院的本科生加入了斯皮罗普鲁的研究小组。作为一个天才的程序员，兹洛卡帕将SYK模型的粒子相互作用映射到一个神经网络的神经元之间的连接上，并训练这个系统来删除尽可能多的网络连接同时保留一个关键的虫洞签名。该过程将四路交互的数量从数百个减少到5个。
用这个该团队开始编程悬铃木的量子比特。7个量子比特编码14个物质粒子------在SYK系统左右中各有7个，在左边的每个粒子都与在右边的一个粒子纠缠。一个第八个量子比特，以状态0和状态1的某些概率组合，然后与来自左SYK模型的一个粒子交换。这个量子比特的可能状态很快的与左边其他粒子的状态纠缠起来，在它们中均匀的分布它的信息，就像一滴墨水在水中一样。这是全息上对偶到进入反德西特空间中一个一维虫洞左侧嘴的量子比特。
然后来的是所有量子比特的大旋转，对偶到一个征途过虫洞的负能量脉冲。旋转造成注入的量子比特转移到右手SYK模型的粒子上。然后信息不传播，普雷斯基尔说，“就像混沌向后跑一样”，在右边的单个粒子的位置重新聚焦------左手粒子的纠缠伙伴被交换出来。然后量子比特的态全部被测量。在许多实验运行中收集0和1，并将这些统计数据与注入的量子比特的准备状态比较揭示是否量子比特正在隔空传送过来。
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亚历克斯·兹洛卡帕是麻省理工学院的研究生，在本科时加入了虫洞项目，他找到了一种简化虫洞协议的方法，足够在谷歌的量子计算机上运行它。Bongani Mlambo for Quanta Magazine
研究人员寻找数据中代表一个两种情况下的区别的一个峰值：如果他们看到峰值，这意味着对偶到负能量脉冲的量子比特旋转正允许量子比特来传送，而在相反方向中的旋转，这对偶到正常脉冲，正能量，不让量子比特通过。（相反，它们导致虫洞关闭）。
1月的一个深夜，经过两年的逐步改进和降噪努力，兹洛卡帕在旧金山湾区他童年的卧室里在悬铃木上运行了完成的协议，在研究生院第一学期结束后，他正在那里度过寒假。
这个峰值出现在他的计算机屏幕上。
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悬铃木芯片的几个副本之一的外壳，它由超导铝电路制成的50多个量子比特组成。Bongani Mlambo for Quanta Magazine
他说，“它保持了变得越来越尖锐，我正把峰值的截图发给玛丽亚，然后非常兴奋写道，‘我认为我们现在看到一个虫洞’” 。这个峰值是“你能在一个量子计算机上看引力的第一个迹象”。
斯皮罗普鲁说，她几乎无法相信她正在看到的那个干净、明显的峰。她说，“这与当我看到希格斯粒子发现的第一个数据时非常相似，不是因为我没有料到，而是我太想它来到了” 。
令人惊讶的是，尽管他们的虫洞的骨骼简单性，研究人员探测到了虫洞动力学的一个第二个特征，这是在量子比特中信息传播和不传播方式中一种叫“尺寸缠绕”的微妙模式。他们没有训练他们的神经网络来保存这个信号，因为它稀疏化SYK模型，如此尺寸缠绕显示出来的事实是一个关于全息术的实验发现。
贾弗里斯说，“我们关于这个尺寸缠绕属性没有任何要求，但我们发现它只是蹦出来” 。他说，这“证实全息二象性的鲁棒性，使一个属性出现，然后你得到所有剩下的，这是一种这个引力图片是正确的证明”。
虫洞的意义
贾菲里斯从未想过自己会成为一个虫洞实验（或其他任何实验）的一部分，他认为最重要的要点之一是这个实验说的关于量子力学的。像纠缠这样的量子现象通常是不透明的和抽象的；例如，我们不知道对粒子A的测量怎样从远处决定B的状态。但在新的实验中，一种不可言喻的量子现象------粒子之间的信息隔空传送------有一个有形的即粒子接收一个能量的踢并以可计算的速度从A到B移动的解释，贾弗里斯说，“从量子比特的角度来看似乎有一个好故事；它因果的移动”。也许像隔空传输这样的量子过程“总是感觉对量子比特引力的”。如果某些出自这个实验和其他相关实验一样的类似东西，那肯定会告诉我们关于我们的宇宙的某些更深的东西” 。
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玛丽亚·斯皮罗普鲁在加州理工学院的校园里。Bongani Mlambo for Quanta Magazine
苏斯金德早看到了今天初步的结果，他说他希望未来涉及更多量子比特的虫洞实验能被用来探索虫洞的内部，作为一种调查引力量子属性的方式。他说，“通过做什么通过了的测量，你询问它并看里面是什么，对我这是一个有趣的要走的路” 。
一些物理学家会说这个实验没有告诉我们任何关于我们宇宙的，因为它实现一个量子力学和反德西特空间之间的二元性，而我们的宇宙却不是的。
在马尔达塞纳的AdS/CFT对应发现后的25年里，物理学家们一直在为德西特空间寻找一个类似的全息二象性------一个从量子系统到我们住的正能量、膨胀的德西特宇宙的映射。但进展比反德西特慢得多，这导致一些人怀疑是否德西特空间毕竟是全息的。AdS/CFT研究的批评者沃特说，“像‘在更实际的德西特情况下关于让这个来工作会怎么样呢？’不是新的但很老，而且一直是数万人年的不成功努力的主题，需要的是一些相当不同的想法” 。
批评者争论这两种空间种类上是不同的：反德西特有一个外部边界，而德西特空间没有，因此没有平滑的数学过渡能把一个变成另一个。而反德西特空间的硬边界正是使全息术在这种情况下容易做到的东西，提供从中来投射空间的量子表面。相比之下，在我们的德西特宇宙中，唯一的边界是我们能看到的最远的和无限的未来。这些是模糊的表面从它来尝试投影一个空时全息图的。
荷兰内梅亨大学著名的量子引力理论家乐娜特洛尔也强调了虫洞实验关注二维空时------虫洞是一个细丝，有一个空间维度加上时间维度------而引力是我们实际生活的四维空时中更复杂的。她在电子邮件中说，“相当诱惑被陷入复杂的2D玩具模型中，同时忽略了在4D量子引力中等待我们的不同和更大的挑战的洞察。对于这个理论，我不能看出任何有它们当前能力的量子计算能是多大帮助的……但我将很高兴地接受纠正” 。
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大多数量子引力研究人员相信这些都是困难但可以解决的问题------编织4D德西特空间的纠缠模式是比2D反德西特更复杂的，但我们仍然能通过研究以更简单设定的全息术提取一般的教训。这个阵营倾向于视这两种类型的空间德西特和反德西特为更相似而不是不同。两者都是对爱因斯坦的相对论的解，区别只有一个负号。德西特和反德西特宇宙都包含受到相同悖论打击的黑洞。当你深入进反德西特空间远离它的外墙时，你能很难区分你的周围环境不同于德西特。
尽管如此，苏斯金德同意是来获得现实的时候了。他说，“我认为我们是我们从反德希特空间的保护层下走出来向世界开放的时候，这可能与宇宙学有更多要做的。德西特空间是另一头野兽”
一些物理学家会说，这个实验没有告诉我们任何关于我们的宇宙，因为它实现了量子力学和反德西特空间之间的二元性，而我们的宇宙却不是。
为此，苏斯金德有一个新的想法。在一篇发布在网上预印本中，他提出德西特空间可能是一个SYK模型不同版本的全息图------而不是一个四路粒子交互，但一个其中参与每个交互的粒子数量随粒子总数的平方根增长。他说，SYK模型的“双尺度限制”正在“更像德西特而不是反德西特一样行为，虽然还远没有证据，但却有间接的证据” 。
这样一个量子系统比目前为止编程的量子系统更复杂，苏斯金德说，“我不知道是否这个限制是将在实验室中实现的某些东西的限制” ，似乎肯定的是，现在有一个全息虫洞，更多的将打开。
https://www.quantamagazine.org/physicists-create-a-wormhole-using-a-quantum-computer-20221130/

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