科学家在量子计算机上模拟了一个微小的虫洞

物理学家、数学家、天文学家，甚至电影制片人长期以来都对虫洞的概念着迷：虫洞是一种不可预测且经常不稳定的现象，人们认为它可以在时空中创造隧道（以及两个遥远位置之间的捷径）。另一种理论认为，如果你以正确的方式连接两个黑洞，你就可以创造一个虫洞。

研究虫洞就像拼凑一个未完成的拼图，却不知道最终的图片应该是什么样的。你可以根据周围完整的图像粗略地推断出缝隙中应该有什么，但你无法确定。这是因为目前还没有确凿的证据证明虫洞确实存在。然而，物理学中一些基本方程和理论的解表明这种实体是存在的。

为了根据目前推断的结果了解这个宇宙幻影的特性，加州理工学院、哈佛大学、麻省理工学院、费米实验室和谷歌的研究人员在同一处理器上的两个量子系统之间创建了一个小型“虫洞”效应。此外，该团队还能够通过它发送信号。

据Quanta称，这使得加州理工学院-谷歌团队领先于同样试图建立虫洞远距传物技术的 IBM-Quantinuum 团队。

虽然他们创造的并不是时空结构中真正的裂缝，但该系统确实模拟了已知的虫洞动力学。就物理学家通常考虑的属性而言，例如正能量或负能量、重力和粒子行为，计算机模拟实际上看起来和工作起来就像一个微小的虫洞。该团队在新闻发布会上表示，这种模型是一种在实验室环境中研究宇宙基本问题的方法。本周，一篇描述该系统的论文发表在《自然》杂志上。

加州理工学院物理学教授玛丽亚·斯皮罗普鲁 (Maria Spiropulu) 在新闻稿中表示：“我们发现了一个量子系统，它展现了引力虫洞的关键特性，但又足够小，可以在当今的量子硬件上实现。这项工作朝着使用量子计算机测试量子引力物理学的更大计划迈出了一步。”

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量子引力是一套理论，它假定了控制引力（描述物质和能量的行为）和量子力学（描述原子和粒子的行为）的规则如何结合在一起。研究人员还没有找到描述我们宇宙中量子引力的精确方程。

尽管科学家们已经思考了引力和虫洞之间的关系大约 100 年，但直到 2013 年，人们才认为纠缠（一种量子物理现象）是两者之间联系的因素。2017 年，另一组科学家提出，可穿越虫洞的工作原理有点像量子隐形传态（利用纠缠原理在空间中传输信息）。

在最新的实验中，该团队仅使用谷歌 Sycamore 量子处理器中的 9 个量子比特（传统计算中二进制比特的量子等价物）运行，利用机器学习建立了虫洞系统的简化版本，“该系统可以编码在当前的量子架构中，并保留引力特性，”Spiropulu 解释道。在实验过程中，他们展示了信息（以量子比特的形式）可以通过一个系统发送，并以正确的顺序重新出现在另一个系统上——这种行为类似于虫洞。

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那么，研究人员如何在一个盒子里建立一个具有其特殊规则和几何形状的小宇宙呢？据谷歌称，不同物理理论之间的一种特殊对应关系（技术上称为 AdS/CFT）使科学家们能够构建一个类似全息图的宇宙，他们可以“将空间中的物体与表面上相互作用的量子比特的特定集合连接起来”，研究人员在一篇博客文章中写道。“这使得量子处理器可以直接与量子比特一起工作，同时提供对时空物理学的洞察。通过仔细定义量子计算机的参数来模拟给定的模型，我们可以观察黑洞，甚至更进一步观察两个相互连接的黑洞——这种结构被称为虫洞。”

研究人员利用机器学习来寻找完美的量子系统，该系统将保留一些关键的引力特性，并维持他们希望模型描绘的能量动态。此外，他们还必须模拟称为费米子的粒子。

研究团队在新闻发布会上指出，有强有力的证据表明，我们的宇宙运行的规则与量子芯片上观察到的全息宇宙相似。研究人员在谷歌博客文章中写道：“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例子：量子处理器可以洞察时间晶体、量子混沌和化学。”