史上第一個蟲洞，被谷歌量子計(jì)算機(jī)造出來了 | Nature封面

能用來“時(shí)空穿梭”的蟲洞，竟然被谷歌量子計(jì)算機(jī)創(chuàng)造出來了？

就在剛剛，全息蟲洞研究登上Nature封面，還被Quanta Magazine稱為“有史以來創(chuàng)造出的第一個蟲洞”。

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

沒想到現(xiàn)在，科學(xué)家們不僅創(chuàng)造出了蟲洞，還觀察到了信息在蟲洞之間傳遞的現(xiàn)象——

他們在一個9量子位電路上，構(gòu)造了一個稀疏Sachdev-Ye-Kitaev（SYK）模型，并觀察到了蟲洞的特征。

不過，先別急著幻想“空間跳躍”。

與我們想象中的引力蟲洞不同，這個蟲洞是量子蟲洞，并不能穿越時(shí)空。

這次全息蟲洞的進(jìn)展，在于成功地將量子態(tài)通過蟲洞，由一個量子系統(tǒng)傳遞到了另一個量子系統(tǒng)。

那么，這個量子蟲洞究竟是什么，它又是如何被模擬出來的？

蟲洞是愛因斯坦和內(nèi)森·羅森提出的一種理論，被假設(shè)為黑洞和白洞的連接。

它就像是一個通道一樣，其特性是可以在另一邊得到一個所謂的“鏡射宇宙”。

但隨著研究的深入，蟲洞也被分成了很多類型。

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

所以，為什么科學(xué)家們要這么執(zhí)著于研究量子蟲洞？

這是因?yàn)?，廣義相對論和量子力學(xué)雖然各自都發(fā)展了很長一段時(shí)間，但它們之間仍然有一個根本性的“沖突”——

量子引力。

這兩個學(xué)說對量子引力的理論沒有達(dá)成一個共識，解決辦法之一就是證明全息原理（holographic principle），即用一個低維量子系統(tǒng)來描述一個涉及引力的系統(tǒng)。

全息原理中一個非常熱門的實(shí)現(xiàn)就是AdS/CFT對偶（反德西特/共形場論對偶），它將量子場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(dāng)于證明了全息原理，進(jìn)而將量子引力研究推動一大步。

這次登上Nature封面的“蟲洞”，也是通過谷歌量子計(jì)算機(jī)模擬出來的量子蟲洞，而且還是二維時(shí)空的。

基于AdS/CFT這套理論，2019年谷歌的物理學(xué)家們提出了一種實(shí)驗(yàn)假說，認(rèn)為一個在物理實(shí)驗(yàn)室中可以再造的量子態(tài)，能被解釋為在兩個黑洞之間的蟲洞中穿越的信息。

現(xiàn)在，來自谷歌、MIT、費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室和加州理工學(xué)院的科學(xué)家們，用9個量子位、1臺量子計(jì)算機(jī)模擬出了對應(yīng)的量子動力學(xué)。

在同一個量子芯片中，他們創(chuàng)建了兩個糾纏的量子系統(tǒng)，并將一個量子位放入其中一個量子系統(tǒng)。結(jié)果，他們在另一個量子系統(tǒng)中觀察到了這個量子位“穿越蟲洞”而來的信息，結(jié)果符合預(yù)期的引力性質(zhì)。

但對于這次谷歌量子計(jì)算機(jī)模擬出來的蟲洞，在學(xué)術(shù)界引起了挺大的爭論。

一方認(rèn)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(rèn)為，這次的蟲洞實(shí)驗(yàn)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(fù)雜：

做這種實(shí)驗(yàn)，容易讓人們陷入2D玩具模型（一種刻意簡化的模型）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(jì)算機(jī)對于（我們正在研究的）理論有多大幫助……不過如果我是錯的，我很樂意接受糾正。

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

而且隨著這個全息蟲洞的出現(xiàn)，還會有更多蟲洞被模擬、被進(jìn)一步仔細(xì)研究。

那么，這個蟲洞究竟是怎么被模擬出來的？

要了解這個蟲洞的產(chǎn)生過程，時(shí)間不得不順著研究往前推移。

故事至少從2013年開始講起。

當(dāng)年的一次會議后，來自哈佛大學(xué)的Daniel Jafferis——蟲洞傳送協(xié)議的首席開發(fā)者，也是本篇Nature封面的合著者——有了一個想法：

通過推測的對偶性，可以經(jīng)由調(diào)整糾纏模式來設(shè)計(jì)特定的蟲洞。

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

在這種耦合作用下，操作其中一側(cè)的粒子，會引起另一側(cè)粒子的變化。

這樣就有可能在兩側(cè)粒子之間撐開一個蟲洞。

說干就干。Jafferis聯(lián)手當(dāng)時(shí)哈佛的研究生Ping Gao，以及訪問學(xué)者Aron Wall開始進(jìn)行研究。

直到2016年，三人最終計(jì)算得出：

通過耦合兩組糾纏粒子，當(dāng)在左側(cè)的那組粒子上執(zhí)行一個操作后，在對偶高緯時(shí)空圖像中，打開通往右側(cè)的蟲洞口，可以推動一個量子位從中通過。

他們發(fā)現(xiàn)的這個蟲洞，是全息的、可穿越的。

幾個月后研究人員進(jìn)一步證明了，可穿越蟲洞可以在一個簡單的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)。

而量子系統(tǒng)就是一個足夠簡單、又可以嘗試制造的“簡單環(huán)境”。

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

簡單理解一下，SYK模型是一個物質(zhì)粒子的系統(tǒng)，以群體的形式相互作用，并且這個模型在2015年被發(fā)現(xiàn)是全息的。

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

到了2019年，Maldacena和伙伴們找到一個具體的方法，可以將一個量子位信息，從一個四向相互作用的粒子系統(tǒng)傳送到另一個粒子系統(tǒng)。

在對偶時(shí)空圖中，旋轉(zhuǎn)所有粒子的自旋方向，會轉(zhuǎn)化為一種橫掃蟲洞的負(fù)能量沖擊波。

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

好了，說回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，一同加入了一個實(shí)驗(yàn)粒子物理學(xué)家的研究團(tuán)隊(duì)。

團(tuán)隊(duì)核心領(lǐng)導(dǎo)者參與了希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)（2012年）。

實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)的主要工作是“如何使用量子計(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)，但是仍然很容易出錯。

要在上面運(yùn)行Jafferis的那個蟲洞傳送協(xié)議，實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)必須搞出協(xié)議的超級簡化版本。

為什么呢？

因?yàn)橐粋€完整的SYK模型，由幾乎無限多的粒子組成。

當(dāng)四向相互作用貫穿模型始終，這些粒子會以隨機(jī)強(qiáng)度相互耦合。

因此，想要計(jì)算完整過程，幾乎是天方夜譚。

為了將協(xié)議大大簡化，實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)稀疏化了SYK模型，只編碼其中最強(qiáng)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)。

稀疏化的想法來自ML，即試圖通過把盡量多的權(quán)值設(shè)置為零，來限制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中信息的細(xì)節(jié)。

與之類比，團(tuán)隊(duì)把一個大量子系統(tǒng)看作一個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通過反向傳播更新系統(tǒng)的參數(shù)，一是保持重力特性，二是縮減系統(tǒng)的大小。

花費(fèi)幾年時(shí)間，團(tuán)隊(duì)終于利用上述的“聰明辦法”，創(chuàng)建了這個只需要7個量子位和數(shù)百個操作的全息蟲洞。

團(tuán)隊(duì)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(xùn)練系統(tǒng)在保留蟲洞特征的同時(shí)，盡量刪除網(wǎng)絡(luò)連接。

如此一來，四向相互作用的次數(shù)，從幾百次驟減到5次。

事情突然變得（相對）簡單了起來，實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)開始編寫Sycamore的量子位。

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

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

這個量子位的可能狀態(tài)很快就會與左邊其它粒子的狀態(tài)糾纏在一起，它的信息會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(kuò)散開。

緊接著，旋轉(zhuǎn)所有的量子位的自旋方向，與負(fù)能量沖擊波橫掃蟲洞相對，這會導(dǎo)致從左側(cè)SYK模型進(jìn)入的量子位，轉(zhuǎn)移到右側(cè)SYK模型。

它們會重新聚焦在右邊的一個粒子（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(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和從左側(cè)進(jìn)入的量子位的準(zhǔn)備狀態(tài)相比較，來證明量子位有沒有從左到右被傳送過來。

如果以一言以蔽之，那就是：

通過全息原理從量子信息的語言翻譯成時(shí)空物理學(xué)，讓一個粒子落入蟲洞的一邊，并觀察它在另一邊是否出現(xiàn)。

方法已經(jīng)明了，具體要怎么觀測呢？

實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)在上述數(shù)據(jù)中，尋找代表兩種情況的峰值。

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

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

這一點(diǎn)對測量信號至關(guān)重要，因?yàn)?strong style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important; color: rgb(0, 153, 127);">即使是1.5倍的噪音也會完全掩蓋信號。

今年1月份的深夜，在團(tuán)隊(duì)成員的電腦屏幕上，峰值出現(xiàn)了！

在峰值截圖旁，這名實(shí)驗(yàn)者寫下：

我認(rèn)為我們現(xiàn)在看到了一個蟲洞。

這個峰值是“第一個在量子計(jì)算機(jī)上可以看到的量子引力的跡象”。

團(tuán)隊(duì)核心人物驚訝極了，清晰又明顯的峰值，讓她跟當(dāng)初看到希格斯玻色子的數(shù)據(jù)時(shí)一樣激動不已。

更重要的是，雖然這個蟲洞結(jié)構(gòu)簡單，團(tuán)隊(duì)還是探測到了蟲洞動力學(xué)的第二個特征，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(yàn)團(tuán)隊(duì)還沒有訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來保存這個信號，因?yàn)檫@個信號讓SYK模型稀疏化了。

當(dāng)然，這次的實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)了另一個事實(shí)：無論SYK模型如何，尺寸纏繞這一特征都會出現(xiàn)。

這般如此，如此這般，耗費(fèi)數(shù)年時(shí)間，這個蟲洞終于由谷歌量子計(jì)算機(jī)模擬了出來~

不得不說，量子計(jì)算機(jī)是一種探索量子重力理論的工具。

這個工作，僅僅代表著使用量子計(jì)算機(jī)探究物理學(xué)的其中一個步驟。

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

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

而引力只是量子計(jì)算機(jī)探索復(fù)雜物理理論的獨(dú)特能力的一個范例，量子計(jì)算機(jī)還能對時(shí)間晶體、量子混沌和化學(xué)進(jìn)行洞悉和觀察。

所以說，遇事不決，果然是可以量子力學(xué)的啊～

來源：量子位