史上第一個(gè)蟲(chóng)洞，被谷歌量子計算機造出來(lái)了 | Nature封面

能用來(lái)“時(shí)空穿梭”的蟲(chóng)洞，竟然被谷歌量子計算機創(chuàng )造出來(lái)了？

就在剛剛，全息蟲(chóng)洞研究登上Nature封面，還被Quanta Magazine稱(chēng)為“有史以來(lái)創(chuàng )造出的第一個(gè)蟲(chóng)洞”。

此前在2019年，谷歌的研究人員就在實(shí)驗室里搗鼓蟲(chóng)洞相關(guān)研究了。

沒(méi)想到現在，科學(xué)家們不僅創(chuàng )造出了蟲(chóng)洞，還觀(guān)察到了信息在蟲(chóng)洞之間傳遞的現象——

他們在一個(gè)9量子位電路上，構造了一個(gè)稀疏Sachdev-Ye-Kitaev（SYK）模型，并觀(guān)察到了蟲(chóng)洞的特征。

不過(guò)，先別急著(zhù)幻想“空間跳躍”。

與我們想象中的引力蟲(chóng)洞不同，這個(gè)蟲(chóng)洞是量子蟲(chóng)洞，并不能穿越時(shí)空。

這次全息蟲(chóng)洞的進(jìn)展，在于成功地將量子態(tài)通過(guò)蟲(chóng)洞，由一個(gè)量子系統傳遞到了另一個(gè)量子系統。

那么，這個(gè)量子蟲(chóng)洞究竟是什么，它又是如何被模擬出來(lái)的？

蟲(chóng)洞是愛(ài)因斯坦和內森·羅森提出的一種理論，被假設為黑洞和白洞的連接。

它就像是一個(gè)通道一樣，其特性是可以在另一邊得到一個(gè)所謂的“鏡射宇宙”。

但隨著(zhù)研究的深入，蟲(chóng)洞也被分成了很多類(lèi)型。

人們想象中可以做時(shí)空旅行的“引力蟲(chóng)洞”，更直觀(guān)的稱(chēng)呼是“時(shí)空洞”；至于量子態(tài)的量子蟲(chóng)洞，則被稱(chēng)之為“微型蟲(chóng)洞”，兩者有很大的差異。

所以，為什么科學(xué)家們要這么執著(zhù)于研究量子蟲(chóng)洞？

這是因為，廣義相對論和量子力學(xué)雖然各自都發(fā)展了很長(cháng)一段時(shí)間，但它們之間仍然有一個(gè)根本性的“沖突”——

量子引力。

這兩個(gè)學(xué)說(shuō)對量子引力的理論沒(méi)有達成一個(gè)共識，解決辦法之一就是證明全息原理（holographic principle），即用一個(gè)低維量子系統來(lái)描述一個(gè)涉及引力的系統。

全息原理中一個(gè)非常熱門(mén)的實(shí)現就是AdS/CFT對偶（反德西特/共形場(chǎng)論對偶），它將量子場(chǎng)論和量子引力兩種理論聯(lián)系在了一起。

如果能想辦法證明AdS/CFT理論猜想，那么就相當于證明了全息原理，進(jìn)而將量子引力研究推動(dòng)一大步。

這次登上Nature封面的“蟲(chóng)洞”，也是通過(guò)谷歌量子計算機模擬出來(lái)的量子蟲(chóng)洞，而且還是二維時(shí)空的。

基于A(yíng)dS/CFT這套理論，2019年谷歌的物理學(xué)家們提出了一種實(shí)驗假說(shuō)，認為一個(gè)在物理實(shí)驗室中可以再造的量子態(tài)，能被解釋為在兩個(gè)黑洞之間的蟲(chóng)洞中穿越的信息。

現在，來(lái)自谷歌、MIT、費米實(shí)驗室和加州理工學(xué)院的科學(xué)家們，用9個(gè)量子位、1臺量子計算機模擬出了對應的量子動(dòng)力學(xué)。

在同一個(gè)量子芯片中，他們創(chuàng )建了兩個(gè)糾纏的量子系統，并將一個(gè)量子位放入其中一個(gè)量子系統。結果，他們在另一個(gè)量子系統中觀(guān)察到了這個(gè)量子位“穿越蟲(chóng)洞”而來(lái)的信息，結果符合預期的引力性質(zhì)。

但對于這次谷歌量子計算機模擬出來(lái)的蟲(chóng)洞，在學(xué)術(shù)界引起了挺大的爭論。

一方認為它對正在研究的理論幫助不大：

荷蘭拉德堡德大學(xué)量子引力理論學(xué)家Renate Loll認為，這次的蟲(chóng)洞實(shí)驗探討的只是二維時(shí)空中的情況，即在一維空間+一維時(shí)間的情況下展開(kāi)研究。

但在我們實(shí)際生活的四維時(shí)空（三維空間+一維時(shí)間）中，量子引力卻要更為復雜：

做這種實(shí)驗，容易讓人們陷入2D玩具模型（一種刻意簡(jiǎn)化的模型）的研究中，反而忽視了四維時(shí)空和二維時(shí)空中量子引力的差異。

我看不出量子計算機對于（我們正在研究的）理論有多大幫助……不過(guò)如果我是錯的，我很樂(lè )意接受糾正。

另一方則認為，雖然二維時(shí)空和四維時(shí)空存在不同，但這次實(shí)驗仍然可以獲取不少“通用”的經(jīng)驗。

而且隨著(zhù)這個(gè)全息蟲(chóng)洞的出現，還會(huì )有更多蟲(chóng)洞被模擬、被進(jìn)一步仔細研究。

那么，這個(gè)蟲(chóng)洞究竟是怎么被模擬出來(lái)的？

要了解這個(gè)蟲(chóng)洞的產(chǎn)生過(guò)程，時(shí)間不得不順著(zhù)研究往前推移。

故事至少從2013年開(kāi)始講起。

當年的一次會(huì )議后，來(lái)自哈佛大學(xué)的Daniel Jafferis——蟲(chóng)洞傳送協(xié)議的首席開(kāi)發(fā)者，也是本篇Nature封面的合著(zhù)者——有了一個(gè)想法：

通過(guò)推測的對偶性，可以經(jīng)由調整糾纏模式來(lái)設計特定的蟲(chóng)洞。

具體而言，可以設想在兩組糾纏粒子之間，穿上一根電線(xiàn)或其它任何的物理連接，讓粒子們編碼出蟲(chóng)洞的兩個(gè)口。

在這種耦合作用下，操作其中一側的粒子，會(huì )引起另一側粒子的變化。

這樣就有可能在兩側粒子之間撐開(kāi)一個(gè)蟲(chóng)洞。

說(shuō)干就干。Jafferis聯(lián)手當時(shí)哈佛的研究生Ping Gao，以及訪(fǎng)問(wèn)學(xué)者Aron Wall開(kāi)始進(jìn)行研究。

直到2016年，三人最終計算得出：

通過(guò)耦合兩組糾纏粒子，當在左側的那組粒子上執行一個(gè)操作后，在對偶高緯時(shí)空圖像中，打開(kāi)通往右側的蟲(chóng)洞口，可以推動(dòng)一個(gè)量子位從中通過(guò)。

他們發(fā)現的這個(gè)蟲(chóng)洞，是全息的、可穿越的。

幾個(gè)月后研究人員進(jìn)一步證明了，可穿越蟲(chóng)洞可以在一個(gè)簡(jiǎn)單的環(huán)境中實(shí)現。

而量子系統就是一個(gè)足夠簡(jiǎn)單、又可以嘗試制造的“簡(jiǎn)單環(huán)境”。

說(shuō)到這里，需要引入一個(gè)新概念：SYK（Sachdev-Ye-Kitaev）模型。

簡(jiǎn)單理解一下，SYK模型是一個(gè)物質(zhì)粒子的系統，以群體的形式相互作用，并且這個(gè)模型在2015年被發(fā)現是全息的。

量子引力理論家Juan Maldacena和合作者提出，兩個(gè)SYK模型連接在一起，可以對Jafferis的可穿越蟲(chóng)洞的兩個(gè)口進(jìn)行編碼。

到了2019年，Maldacena和伙伴們找到一個(gè)具體的方法，可以將一個(gè)量子位信息，從一個(gè)四向相互作用的粒子系統傳送到另一個(gè)粒子系統。

在對偶時(shí)空圖中，旋轉所有粒子的自旋方向，會(huì )轉化為一種橫掃蟲(chóng)洞的負能量沖擊波。

沖擊波能把量子位向前推動(dòng)，還能在可預測的時(shí)間點(diǎn)把量子位踢出蟲(chóng)洞。

好了，說(shuō)回Jafferis和他的研究。

2018年，Jafferis本人和許多谷歌量子人工智能（Google Quantum AI）的研究人員，一同加入了一個(gè)實(shí)驗粒子物理學(xué)家的研究團隊。

團隊核心領(lǐng)導者參與了希格斯玻色子的發(fā)現（2012年）。

實(shí)驗團隊的主要工作是“如何使用量子計算機進(jìn)行全息量子引力實(shí)驗”。

要知道，量子計算機雖然先進(jìn)，但是仍然很容易出錯。

要在上面運行Jafferis的那個(gè)蟲(chóng)洞傳送協(xié)議，實(shí)驗團隊必須搞出協(xié)議的超級簡(jiǎn)化版本。

為什么呢？

因為一個(gè)完整的SYK模型，由幾乎無(wú)限多的粒子組成。

當四向相互作用貫穿模型始終，這些粒子會(huì )以隨機強度相互耦合。

因此，想要計算完整過(guò)程，幾乎是天方夜譚。

為了將協(xié)議大大簡(jiǎn)化，實(shí)驗團隊稀疏化了SYK模型，只編碼其中最強的四向相互作用（忽略其余的），同時(shí)保留模型的全息性質(zhì)。

稀疏化的想法來(lái)自ML，即試圖通過(guò)把盡量多的權值設置為零，來(lái)限制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )中信息的細節。

與之類(lèi)比，團隊把一個(gè)大量子系統看作一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )，通過(guò)反向傳播更新系統的參數，一是保持重力特性，二是縮減系統的大小。

花費幾年時(shí)間，團隊終于利用上述的“聰明辦法”，創(chuàng )建了這個(gè)只需要7個(gè)量子位和數百個(gè)操作的全息蟲(chóng)洞。

團隊成員把SYK模型的粒子相互作用，映射到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的神經(jīng)元之間的連接上，并訓練系統在保留蟲(chóng)洞特征的同時(shí)，盡量刪除網(wǎng)絡(luò )連接。

如此一來(lái)，四向相互作用的次數，從幾百次驟減到5次。

事情突然變得（相對）簡(jiǎn)單了起來(lái)，實(shí)驗團隊開(kāi)始編寫(xiě)Sycamore的量子位。

7個(gè)量子位編碼14個(gè)（左、右SYK模型各7個(gè)）物質(zhì)粒子，左邊的每個(gè)粒子都和右邊的一個(gè)粒子糾纏。

第8個(gè)量子位處在狀態(tài)0和1的概率組合中，然后與左邊SYK模型中的一個(gè)粒子減緩。

這個(gè)量子位的可能狀態(tài)很快就會(huì )與左邊其它粒子的狀態(tài)糾纏在一起，它的信息會(huì )很均勻地散布在他們中間，就像一滴墨水滴在水里然后均勻擴散開(kāi)。

緊接著(zhù)，旋轉所有的量子位的自旋方向，與負能量沖擊波橫掃蟲(chóng)洞相對，這會(huì )導致從左側SYK模型進(jìn)入的量子位，轉移到右側SYK模型。

它們會(huì )重新聚焦在右邊的一個(gè)粒子（左邊粒子被交換后的糾纏對象）所在的位置。

然后要做的，就是測量這些量子位的狀態(tài)，并將統計數據和從左側進(jìn)入的量子位的準備狀態(tài)相比較，來(lái)證明量子位有沒(méi)有從左到右被傳送過(guò)來(lái)。

如果以一言以蔽之，那就是：

通過(guò)全息原理從量子信息的語(yǔ)言翻譯成時(shí)空物理學(xué)，讓一個(gè)粒子落入蟲(chóng)洞的一邊，并觀(guān)察它在另一邊是否出現。

方法已經(jīng)明了，具體要怎么觀(guān)測呢？

實(shí)驗團隊在上述數據中，尋找代表兩種情況的峰值。

如果能夠看到峰值，就意味著(zhù)雙負能量沖擊波的量子位旋轉，允許量子位傳送；而雙正能量沖擊波的相反方向旋轉，不允許量子位傳送（而且還會(huì )導致蟲(chóng)洞關(guān)閉）。

兩年時(shí)間，實(shí)驗團隊一直在逐步改進(jìn)，降低實(shí)驗噪音。

這一點(diǎn)對測量信號至關(guān)重要，因為即使是1.5倍的噪音也會(huì )完全掩蓋信號。

今年1月份的深夜，在團隊成員的電腦屏幕上，峰值出現了！

在峰值截圖旁，這名實(shí)驗者寫(xiě)下：

我認為我們現在看到了一個(gè)蟲(chóng)洞。

這個(gè)峰值是“第一個(gè)在量子計算機上可以看到的量子引力的跡象”。

團隊核心人物驚訝極了，清晰又明顯的峰值，讓她跟當初看到希格斯玻色子的數據時(shí)一樣激動(dòng)不已。

更重要的是，雖然這個(gè)蟲(chóng)洞結構簡(jiǎn)單，團隊還是探測到了蟲(chóng)洞動(dòng)力學(xué)的第二個(gè)特征，即“尺寸纏繞”（size-winding）。

這是信息在量子位之間傳播和不傳播的微妙模式。

目前，實(shí)驗團隊還沒(méi)有訓練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )來(lái)保存這個(gè)信號，因為這個(gè)信號讓SYK模型稀疏化了。

當然，這次的實(shí)驗也發(fā)現了另一個(gè)事實(shí)：無(wú)論SYK模型如何，尺寸纏繞這一特征都會(huì )出現。

這般如此，如此這般，耗費數年時(shí)間，這個(gè)蟲(chóng)洞終于由谷歌量子計算機模擬了出來(lái)~

不得不說(shuō)，量子計算機是一種探索量子重力理論的工具。

這個(gè)工作，僅僅代表著(zhù)使用量子計算機探究物理學(xué)的其中一個(gè)步驟。

盡管存在爭議，但是這項前所未有的實(shí)驗，探索了時(shí)空以某種方式從量子信息中產(chǎn)生的可能性。

隨著(zhù)量子裝置的不斷改進(jìn)，錯誤率會(huì )更低，芯片會(huì )更強，那么對引力現象的研究也會(huì )更加深入。

而引力只是量子計算機探索復雜物理理論的獨特能力的一個(gè)范例，量子計算機還能對時(shí)間晶體、量子混沌和化學(xué)進(jìn)行洞悉和觀(guān)察。

所以說(shuō)，遇事不決，果然是可以量子力學(xué)的啊～

來(lái)源：量子位