如何观察虫洞现象？物理学家使用量子计算机让观察虫洞成为可能

科学家们首次开发了一种量子实验，可以研究一种特殊理论--虫洞的动力学或行为。这项实验并没有创造出一个真正的虫洞, 即空间和时间上的断裂，而是让研究人员能够探索理论虫洞和量子物理学之间的联系，即所谓的量子引力的预测。量子引力指的是一套试图将引力与量子物理学联系起来的理论，这两种理论对自然的本质描述互不兼容。

“我们发现了一个量子系统，它展示了引力虫洞的关键特性，但它足够小，可以在当今的量子硬件上实现，”美国能源部科学研究计划量子通信信道基础物理（QCCFP）的首席研究员Spiropulu和加州理工学院物理学教授Shang Yi Chen表示。“这项工作是朝着使用量子计算机测试量子引力物理的更大计划迈出的一步。它并没有像其他计划中的实验那样取代直接探测量子引力的方法，这些实验可能会在未来使用量子传感来探测量子引力效应，但它提供了一个强大的试验台来实践量子引力的想法。”

这项研究成果12月1日发表在《自然》杂志上。

虫洞是时空中两个遥远区域之间的桥梁。它们还没有被实验观察到，但科学家们已经对它们的存在和性质进行了近100年的理论研究。1935年，爱因斯坦和罗森根据广义相对论（将引力描述为时空的曲率），将虫洞描述为穿过时空结构的隧道。研究人员称虫洞为爱因斯坦-罗森桥，这两位物理学家引用了虫洞，而“虫洞”一词本身是由物理学家约翰·惠勒在20世纪50年代创造的。

Juan Maldacena和Leonard Susskind于2013年在理论研究中首次提出了虫洞和量子物理，特别是量子纠缠可能存在联系的概念，量子纠缠是指两个粒子可以在遥远的距离上保持连接的现象。物理学家们推测，虫洞（或“ER”）相当于纠缠（也被称为“EPR”，得名于阿尔伯特·爱因斯坦Einstein、鲍里斯·波多尔斯基（Boris Podolsky）和内森·罗森（Nathan Rosen），他们最先提出了这个纠缠概念）。从本质上讲，这项工作在引力世界和量子物理学之间建立了一种新的理论联系。这是一个非常大胆和富有诗意的想法。

2017年，Jafferis与他的同事Ping Gao和Aron Wall一起，将ER=EPR的概念扩展到了不仅仅是虫洞，而是可穿越的虫洞。科学家们构造了一个场景，在这个场景中，负排斥能使虫洞打开足够长的时间，让一些东西从一端穿过另一端。研究人员表明，这种对可穿越虫洞的引力描述相当于一种被称为量子隐形传态的过程。量子隐形传态是一种已被实验证明的协议，在这种协议中，利用量子纠缠原理，通过光纤，信息在太空中远距离传输。

目前的工作探索了虫洞与量子隐形传态的等价性。加州理工学院领导的团队进行了第一次实验，探索了从太空中的一个点到另一个点的信息传播可以用引力语言（虫洞）或量子物理语言（量子纠缠）来描述的想法。

2015年，加州理工学院的理论物理和数学教授Alexei Kitaev发现，一个简单的量子系统可以表现出Gao、Jafferis和Wall后来描述的同样的二元性，因此该模型的量子动力学与量子引力效应相当。这一Sachdev–Ye–Kitaev或SYK模型可以让研究人员通过在量子处理器上进行实验，可以更深入地研究一些理论虫洞思想。

2019年，Jafferis和Gao进一步阐述了这些想法，他们发现通过纠缠两个SYK模型，研究人员能够进行虫洞隐形传态，从而产生和测量可穿越虫洞的动力学特性。

在这项新的研究中，物理学家团队首次进行了这类实验。他们使用了一个类似“婴儿”SYK的模型来保存引力特性，并在谷歌的量子设备上观察虫洞动力学，即Sycamore量子处理器。为了实现这一目标，该团队必须首先将SYK模型简化，这是他们在传统计算机上使用机器学习工具实现的一项壮举。

Spiropulu说：“我们采用机器学习技术，找到并制备了一个简单的类似SYK的量子系统，该系统可以在当前的量子体系结构中编码，并且可以保持引力特性。换言之，我们简化了SYK量子系统的微观描述，并研究了我们在量子处理器上发现的最终有效模型。对模型的一个特性的优化，并保留了其他指标！我们计划进行更多测试，以更好地了解模型本身。”

在实验中，研究人员将一个量子比特（相当于传统计算机中的比特）插入到他们的一个类似SYK的系统中，并观察到来自另一个系统的信息。信息通过量子隐形传态从一个量子系统传递到另一个量子体系，或者用引力的互补语言来说，量子信息通过了可穿越的虫洞。

研究人员进行了一种量子隐形传态，相当于重力场景中的可穿越虫洞。要做到这一点，必须将量子系统简化为保留引力特性的最小示例，这样研究人员就可以在谷歌的Sycamore量子处理器上实现它。

研究人员花了很长时间才得出结果，他们对结果感到惊讶。

这类实验的意义在于，从引力视角提供了一种简单的方式来理解一种原本神秘的多粒子量子现象。研究人员对这项新的谷歌实验感到有趣的是，通过机器学习，他们能够使系统简单到足以在现有的量子机器上进行模拟，同时保留了引力场景所预测的合理景象。

在这项研究中，物理学家们报告了从引力和量子物理学的角度预期的虫洞行为。例如，虽然量子信息可以通过多种方式在设备上传输或传送，但实验过程至少在某些方面与信息通过虫洞可能发生的情况相当。为了做到这一点，该团队试图使用负排斥能量脉冲或相反的正能量脉冲来“撑开虫洞”。他们仅在施加等效的负能量时才观察到可穿越虫洞的关键特征，这与虫洞的预期行为一致。

Spiropulu说：“我们使用的量子处理器的高保真度至关重要。如果错误率提高50%，信号就会被完全掩盖。如果错误率减少一半，我们就会获得10倍的信号！” 

未来，研究人员希望将这项工作扩展到更复杂的量子电路。尽管真正的量子计算机可能还有几年的时间，但该团队计划继续在现有的量子计算平台上进行这种性质的实验。

Spiropulu说：“量子纠缠、时空和量子引力之间的关系是基础物理学中最重要的问题之一，也是理论研究的活跃领域。我们很高兴迈出这一小步，在量子硬件上测试这些想法，并将继续下去。”

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