史上第一个虫洞，被谷歌量子计算机造出来了

导读：能用来 " 时空穿梭 " 的虫洞，竟然被谷歌量子计算机创造出来了？　　就在刚刚，全息虫洞研究登上 Nature 封面，还被 Quanta Magazine 称为 " 有史以

　　能用来 " 时空穿梭 " 的虫洞，竟然被谷歌量子计算机创造出来了？

　　就在刚刚，全息虫洞研究登上 Nature 封面，还被 Quanta Magazine 称为 " 有史以来创造出的第一个虫洞 "。

　　此前在 2019 年，谷歌的研究人员就在实验室里捣鼓虫洞相关研究了。

　　没想到现在，科学家们不仅创造出了虫洞，还观察到了信息在虫洞之间传递的现象——

　　他们在一个 9 量子位电路上，构造了一个稀疏 Sachdev-Ye-Kitaev（SYK）模型，并观察到了虫洞的特征。

　　不过，先别急着幻想 " 空间跳跃 "。

　　基于 AdS/CFT 这套理论，2019 年谷歌的物理学家们提出了一种实验假说，认为一个在物理实验室中可以再造的量子态，能被解释为在两个黑洞之间的虫洞中穿越的信息。

　　现在，来自谷歌、MIT、费米实验室和加州理工学院的科学家们，用 9 个量子位、1 台量子计算机模拟出了对应的量子动力学。

　　在同一个量子芯片中，他们创建了两个纠缠的量子系统，并将一个量子位放入其中一个量子系统。结果，他们在另一个量子系统中观察到了这个量子位 " 穿越虫洞 " 而来的信息，结果符合预期的引力性质。

　　但对于这次谷歌量子计算机模拟出来的虫洞，在学术界引起了挺大的争论。

　　一方认为它对正在研究的理论帮助不大：

　　荷兰拉德堡德大学量子引力理论学家 Renate Loll 认为，这次的虫洞实验探讨的只是二维时空中的情况，即在一维空间 + 一维时间的情况下展开研究。

　　△二维时空模拟虫洞

　　但在我们实际生活的四维时空（三维空间 + 一维时间）中，量子引力却要更为复杂：

　　做这种实验，容易让人们陷入 2D 玩具模型（一种刻意简化的模型）的研究中，反而忽视了四维时空和二维时空中量子引力的差异。

　　我看不出量子计算机对于（我们正在研究的）理论有多大帮助……不过如果我是错的，我很乐意接受纠正。

　　另一方则认为，虽然二维时空和四维时空存在不同，但这次实验仍然可以获取不少 " 通用 " 的经验。

　　而且随着这个全息虫洞的出现，还会有更多虫洞被模拟、被进一步仔细研究。

　　那么，这个虫洞究竟是怎么被模拟出来的？

　　这个虫洞是如何模拟的？

　　要了解这个虫洞的产生过程，时间不得不顺着研究往前推移。

　　故事至少从 2013 年开始讲起。

　　当年的一次会议后，来自哈佛大学的 Daniel Jafferis ——虫洞传送协议的首席开发者，也是本篇 Nature 封面的合著者——有了一个想法：

　　通过推测的对偶性，可以经由调整纠缠模式来设计特定的虫洞。

　　△Daniel Jafferis

　　具体而言，可以设想在两组纠缠粒子之间，穿上一根电线或其它任何的物理连接，让粒子们编码出虫洞的两个口。

　　在这种耦合作用下，操作其中一侧的粒子，会引起另一侧粒子的变化。

　　这样就有可能在两侧粒子之间撑开一个虫洞。

　　说干就干。Jafferis 联手当时哈佛的研究生 Ping Gao，以及访问学者 Aron Wall 开始进行研究。

　　直到 2016 年，三人最终计算得出：

　　通过耦合两组纠缠粒子，当在左侧的那组粒子上执行一个操作后，在对偶高纬时空图像中，打开通往右侧的虫洞口，可以推动一个量子位从中通过。

　　他们发现的这个虫洞，是全息的、可穿越的。

　　几个月后研究人员进一步证明了，可穿越虫洞可以在一个简单的环境中实现。

　　而量子系统就是一个足够简单、又可以尝试制造的 " 简单环境 "。

　　说到这里，需要引入一个新概念：SYK（Sachdev-Ye-Kitaev）模型。

　　简单理解一下，SYK 模型是一个物质粒子的系统，以群体的形式相互作用，并且这个模型在 2015 年被发现是全息的。

　　量子引力理论家 Juan Maldacena 和合作者提出，两个 SYK 模型连接在一起，可以对 Jafferis 的可穿越虫洞的两个口进行编码。

　　到了 2019 年，Maldacena 和伙伴们找到一个具体的方法，可以将一个量子位信息，从一个四向相互作用的粒子系统传送到另一个粒子系统。

　　在对偶时空图中，旋转所有粒子的自旋方向，会转化为一种横扫虫洞的负能量冲击波。

　　冲击波能把量子位向前推动，还能在可预测的时间点把量子位踢出虫洞。

　　好了，说回 Jafferis 和他的研究。

　　2018 年，Jafferis 本人和许多谷歌量子人工智能（Google Quantum AI）的研究人员，一同加入了一个实验粒子物理学家的研究团队。

　　团队核心领导者参与了希格斯玻色子的发现（2012 年）。

　　实验团队的主要工作是 " 如何使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，但是仍然很容易出错。

　　要在上面运行 Jafferis 的那个虫洞传送协议，实验团队必须搞出协议的超级简化版本。

　　为什么呢？

　　因为一个完整的 SYK 模型，由几乎无限多的粒子组成。

　　当四向相互作用贯穿模型始终，这些粒子会以随机强度相互耦合。

　　因此，想要计算完整过程，几乎是天方夜谭。

　　为了将协议大大简化，实验团队稀疏化了 SYK 模型，只编码其中最强的四向相互作用（忽略其余的），同时保留模型的全息性质。

　　稀疏化的想法来自 ML，即试图通过把尽量多的权值设置为零，来限制神经网络中信息的细节。

　　与之类比，团队把一个大量子系统看作一个神经网络，通过反向传播更新系统的参数，一是保持重力特性，二是缩减系统的大小。

　　△学习制造稀疏量子系统捕捉引力动力学的过程

　　花费几年时间，团队终于利用上述的 " 聪明办法 "，创建了这个只需要 7 个量子位和数百个操作的全息虫洞。

　　团队成员把 SYK 模型的粒子相互作用，映射到神经网络的神经元之间的连接上，并训练系统在保留虫洞特征的同时，尽量删除网络连接。

　　如此一来，四向相互作用的次数，从几百次骤减到 5 次。

　　事情突然变得（相对）简单了起来，实验团队开始编写 Sycamore 的量子位。

　　7 个量子位编码 14 个（左、右 SYK 模型各 7 个）物质粒子，左边的每个粒子都和右边的一个粒子纠缠。

　　第 8 个量子位处在状态 0 和 1 的概率组合中，然后与左边 SYK 模型中的一个粒子减缓。

　　这个量子位的可能状态很快就会与左边其它粒子的状态纠缠在一起，它的信息会很均匀地散布在他们中间，就像一滴墨水滴在水里然后均匀扩散开。

　　紧接着，旋转所有的量子位的自旋方向，与负能量冲击波横扫虫洞相对，这会导致从左侧 SYK 模型进入的量子位，转移到右侧 SYK 模型。

　　它们会重新聚焦在右边的一个粒子（左边粒子被交换后的纠缠对象）所在的位置。

　　然后要做的，就是测量这些量子位的状态，并将统计数据和从左侧进入的量子位的准备状态相比较，来证明量子位有没有从左到右被传送过来。

　　如果以一言以蔽之，那就是：

　　通过全息原理从量子信息的语言翻译成时空物理学，让一个粒子落入虫洞的一边，并观察它在另一边是否出现。

　　方法已经明了，具体要怎么观测呢？

　　实验团队在上述数据中，寻找代表两种情况的峰值。

　　如果能够看到峰值，就意味着双负能量冲击波的量子位旋转，允许量子位传送；而双正能量冲击波的相反方向旋转，不允许量子位传送（而且还会导致虫洞关闭）。

　　两年时间，实验团队一直在逐步改进，降低实验噪音。

　　这一点对测量信号至关重要，因为即使是 1.5 倍的噪音也会完全掩盖信号。

　　今年 1 月份的深夜，在团队成员的电脑屏幕上，峰值出现了！

　　在峰值截图旁，这名实验者写下：

　　我认为我们现在看到了一个虫洞。

　　这个峰值是 " 第一个在量子计算机上可以看到的量子引力的迹象 "。

　　团队核心人物惊讶极了，清晰又明显的峰值，让她跟当初看到希格斯玻色子的数据时一样激动不已。

　　更重要的是，虽然这个虫洞结构简单，团队还是探测到了虫洞动力学的第二个特征，即 " 尺寸缠绕 "（size-winding）。

　　这是信息在量子位之间传播和不传播的微妙模式。

　　目前，实验团队还没有训练神经网络来保存这个信号，因为这个信号让 SYK 模型稀疏化了。

　　当然，这次的实验也发现了另一个事实：无论 SYK 模型如何，尺寸缠绕这一特征都会出现。

　　这般如此，如此这般，耗费数年时间，这个虫洞终于由谷歌量子计算机模拟了出来 ~

　　不得不说，量子计算机是一种探索量子重力理论的工具。

　　这个工作，仅仅代表着使用量子计算机探究物理学的其中一个步骤。

　　尽管存在争议，但是这项前所未有的实验，探索了时空以某种方式从量子信息中产生的可能性。

　　随着量子装置的不断改进，错误率会更低，芯片会更强，那么对引力现象的研究也会更加深入。

　　而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范例，量子计算机还能对时间晶体、量子混沌和化学进行洞悉和观察。

　　所以说，遇事不决，果然是可以量子力学的啊～

　　论文地址：

　　https://www.nature.com/articles/s41586-022-05424-3

　　参考链接：

　　 [ 1 ] https://ai.googleblog.com/2022/11/making-traversable-wormhole-with.html

　　 [ 2 ] https://www.quantamagazine.org/physicists-create-a-wormhole-using-a-quantum-computer-20221130/