史上第一個蟲洞，被谷歌量子計算機造出來了

一個可以用來穿越時空的蟲洞，居然是谷歌量子計算機創造的。

就在剛剛，全息蟲洞的研究登上了《自然》的封面，被《量子》雜志稱為有史以來創造的第一個蟲洞。

此前，在2019年，谷歌研究人員正在實驗室進行蟲洞相關的研究。

沒想到，現在，科學家不僅造出了蟲洞，還觀測到了蟲洞之間信息傳遞的現象——

他們在9量子位電路上構建了一個稀疏的Sachdev—Ye—Kitaev模型，并觀察到了蟲洞的特征。

不過，先別夢想空間跳躍。

與我們想象的引力蟲洞不同，這個蟲洞是量子蟲洞，無法穿越時空。

這個全息蟲洞的進步在于通過蟲洞成功地將量子態從一個量子系統傳輸到另一個量子系統。

那么，這個量子蟲洞是什么，又是如何模擬出來的呢。

2D時空簡化版蟲洞

蟲洞是愛因斯坦和納森·羅森提出的理論，被認為是黑洞和白洞之間的聯系。

它就像一個通道，它的特點是可以在另一邊得到一個所謂的鏡像宇宙。

但是伴隨著研究的深入，蟲洞也分了很多類型。

人們可以想象時空旅行的引力蟲洞，更直觀的名稱是時間洞，至于量子態的量子蟲洞，則稱之為微型蟲洞，彼此差別很大。

那么，為什么科學家如此癡迷于研究量子蟲洞呢。

這是因為，盡管廣義相對論和量子力學都發展了很長時間，但它們之間仍然存在根本的沖突

量子引力。

兩種理論在量子引力理論上還沒有達成共識解決方案之一是證明全息原理，即用低維量子系統描述一個涉及引力的系統

全息原理的一個非常流行的實現是AdS/CFT對偶，它連接了量子場論和量子引力論。

如果能找到證明AdS/CFT理論猜想的方法，就相當于證明了全息原理，進而將量子引力的研究向前推進了一大步。

這次《自然》封面上的蟲洞也是谷歌量子計算機模擬的量子蟲洞，而且還是二維時空。

基于AdS/CFT理論，2019年，谷歌物理學家提出了一個實驗假設，即一個可以在物理實驗室中重現的量子態可以被解釋為信息通過兩個黑洞之間的蟲洞。

現在，來自谷歌，麻省理工學院，費米實驗室和加州理工學院的科學家用9個量子比特和一臺量子計算機模擬了相應的量子動力學。

在同一個量子芯片中，他們創造了兩個糾纏的量子系統，并將一個量子比特放入其中一個結果，他們在另一個量子系統中觀測到這個量子位穿越蟲洞的信息，結果符合預期的引力性質

可是，谷歌量子計算機模擬的蟲洞在學術界引起了很大的爭論。

一方認為對正在研究的理論幫助不大:

荷蘭拉德堡大學的量子引力理論家雷納特·羅爾認為，這個蟲洞實驗只討論了二維時空的情況，即研究是在一維空間加一維時間的情況下進行的。

二維時空模擬蟲洞

但是在我們現實生活的四維時空中，量子引力更加復雜:

做這種實驗，很容易把人引入對2D玩具模型的研究，卻忽略了四維時空和二維時空的量子引力差異。

我看不出量子計算機能對理論有多大幫助但如果我錯了，我愿意接受指正

另一方面，雖然二維時空和四維時空有區別，但這個實驗還是可以獲得很多普適的經驗。

而伴隨著這個全息蟲洞的出現，將會有更多的蟲洞被模擬出來，并被進一步仔細研究。

那么，這個蟲洞是怎么模擬出來的呢。

這個蟲洞是怎么模擬出來的。

要了解這個蟲洞的生成過程，時間還得伴隨著研究往前走。

故事至少開始于2013年。

在那一年的一次會議后，丹尼爾·杰斐里斯——來自哈佛大學，蟲洞傳輸協議的首席開發者和《自然》雜志封面的合著者——有了一個想法:

通過推測的對偶性，可以通過調整糾纏模式來設計特定的蟲洞。

丹尼爾·杰弗里斯

具體來說，可以想象在兩組糾纏的粒子之間，可以放上一根導線或者其他任何物理連接，讓粒子對蟲洞的兩個開口進行編碼。

在這種耦合作用下，操縱一邊的粒子會引起另一邊粒子的變化。

這使得在兩邊的粒子之間打開一個蟲洞成為可能。

說了就做了杰弗里斯與當時哈佛大學的研究生高萍和訪問學者阿倫·沃爾聯手開始了這項研究

直到2016年，三人終于算出來:

通過耦合兩組糾纏粒子，當對左邊的一組粒子進行操作時，在雙高緯時空圖像中，通過向右打開蟲洞，可以推過一個量子位。

他們發現的蟲洞是全息的，可以穿越。

幾個月后，研究人員進一步證明了蟲洞可以在簡單的環境下穿越。

量子系統是一個簡單的環境，足夠簡單，可以制造。

說到這里，我們需要引入一個新的概念:SYK模式。

簡單來理解，SYK模型是一個物質粒子的系統，在群體中相互作用，這個模型在2015年被發現是全息的。

到2019年，Maldacena和他的合作伙伴已經找到了一種具體的方法，可以將一個量子比特信息從一個四向相互作用的粒子系統轉移到另一個粒子系統。

在雙時空圖中，旋轉所有粒子的自旋方向會被轉換成負能量沖擊波，席卷蟲洞。

沖擊波可以推動量子位前進，并在可預測的時間將其踢出蟲洞。

好吧，回到杰斐里斯和他的研究。

2018年，Jafferis本人和谷歌量子人工智能的許多研究人員加入了一個由實驗粒子物理學家組成的研究團隊。

核心團隊負責人參與了希格斯玻色子的發現。

實驗組的主要工作是如何利用量子計算機進行全息量子引力實驗。

要知道，量子計算機雖然先進，但還是容易出錯。

要在上面運行Jafferis的蟲洞傳輸協議，實驗團隊必須拿出一個超級簡化版本的協議。

為什么。

因為一個完整的SYK模型幾乎由無限個粒子組成。

當四向相互作用貫穿模型時，這些粒子會以隨機的強度相互耦合。

因此，要計算整個過程幾乎是不可能的。

為了大大簡化協議，實驗團隊對SYK模型進行了細化，只對最強的四向相互作用進行編碼，同時保留了模型的全息屬性。

稀疏性的思想來自ML，它試圖通過將盡可能多的權重設置為零來限制神經網絡中的信息細節。

以此類推，團隊將大量子系統視為一個神經網絡，通過反向傳播來更新系統的參數一是保持重力特性，二是減小系統尺寸

學習制作稀疏量子系統捕捉引力動力學的過程。

經過數年時間，團隊終于用上述聰明的方法創造出了這個只需要七個量子位和數百次運算的全息蟲洞。

該團隊將SYK模型的粒子相互作用映射到神經網絡神經元之間的連接，并訓練系統在保留蟲洞特征的同時盡可能刪除網絡連接。

結果，四方互動的數量從幾百個下降到五個。

事情突然變得簡單起來，實驗組開始寫梧桐樹的量子位。

7個量子位編碼14個物質粒子，左邊的每個粒子和右邊的一個粒子糾纏在一起。

第8個量子位處于狀態0和1的概率組合中，然后伴隨著左SYK模型中的一個粒子而變慢。

這個量子位的可能狀態很快就會和左邊其他粒子的狀態糾纏在一起，它的信息會均勻分布在其中，就像一滴墨水滴在水里，然后均勻擴散。

然后，旋轉所有量子比特的自旋方向，與負能量沖擊波掃過蟲洞的方向相反，會導致從左側SYK模型進入的量子比特轉移到右側SYK模型。

它們將重新聚焦在右邊粒子的位置。

然后，我們需要做的是測量這些量子比特的狀態，將統計數據與從左側進入的量子比特的準備狀態進行比較，證明量子比特是否從左向右傳輸。

如果用一句話來說，就是:

用全息原理從量子信息的語言翻譯到時空物理學，讓一個粒子掉進蟲洞的一邊，觀察它是否出現在另一邊。

方法明確，具體怎么觀察。

在上面的數據中，實驗小組尋找代表兩種情況的峰值。

如果能看到峰值，說明雙負能量沖擊波的量子位旋轉，允許量子位被傳輸，而雙正能量沖擊波反方向旋轉，不允許量子比特傳輸。

兩年來，實驗團隊一直在逐步改進和降低實驗噪音。

這對于測量信號非常重要，因為即使是1.5倍的噪聲也會完全掩蓋信號。

今年1月的一個深夜，團隊成員的電腦屏幕上，出現了高峰！

在峰值截圖旁邊，這位實驗者寫道:

我想我們現在看到了一個蟲洞。

這個峰值是量子計算機上可以看到的量子引力的第一個跡象。

核心團隊成員異常驚訝，清晰明顯的峰值讓她和第一次看到希格斯玻色子數據時一樣興奮。

更重要的是，雖然這個蟲洞結構簡單，但是團隊已經探測到了蟲洞動力學的第二個特征，即大小糾纏。

這是量子位之間信息傳播與不傳播的微妙模式。

目前，實驗小組還沒有訓練神經網絡來保存這個信號，因為這個信號使得SYK模型變得稀疏。

當然，這個實驗還發現了另一個事實:無論SYK模型是什么，都會出現尺寸糾纏的特征。

所以，所以，用了好幾年，這個蟲洞終于被谷歌量子計算機模擬出來了~

不得不說，量子計算機是探索量子引力理論的工具。

這項工作只是代表了利用量子計算機探索物理的一個步驟。

盡管存在爭議，但這項前所未有的實驗探索了時間和空間可以以某種方式從量子信息中產生的可能性。

伴隨著量子器件的不斷完善，錯誤率會更低，芯片會更強，對引力的研究會更深入。

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例子量子計算機還可以辨別和觀察時間晶體，量子混沌和化學

所以，沒決定什么就可以做量子力學是真的~

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