量子计算机创造了虫洞吗？不完全是，但揭示了量子模拟的未来

光子盒研究院出品

最近，科学家们因据称产生了一个虫洞而成为头条新闻。发表在《自然》杂志上的这项研究使用量子计算机在简化的物理模型中模拟虫洞。消息传出后不久，物理学家和量子计算专家对虫洞是否真的存在表示怀疑。这是怎么回事？

本文编译自The Conversation：

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虫洞和纠缠

宇宙浩瀚，如此之大，以至于用传统的方法从一边到另一边是不切实际的。虫洞是宇宙两个区域之间的捷径，可能在更短的时间内穿越遥远的距离。爱因斯坦相对论允许有虫洞，但是自然界中从未发现过虫洞。

虫洞示意图

最近，物理学家一直在考虑虫洞与另一种现象有关的想法，这种现象被称为“纠缠”。纠缠是一种涉及粒子的奇特的量子现象。当粒子处于纠缠态时，对一个粒子的测量将会立即影响另一个粒子。即使当两个粒子相距太远而无法产生因果关系时，情况也是如此。

一些物理学家认为虫洞可能只是描述某种量子纠缠的一种方式。如果是正确的，这将在两个重要的物理学理论之间建立联系：量子力学和广义相对论。其中，广义相对论解释了引力是如何工作的，并描述了大尺度的宇宙。量子力学解释了其他基本力，并描述了非常小尺度的宇宙。

在量子力学中，“纠缠”是一种可能相距很远的粒子之间的联系

两者都是极其成功的理论，但还没有形成一个统一的理论。一个统一的理论将保留量子力学和广义相对论的见解，同时提供一个关于引力在量子领域如何工作的解释，这是我们目前不理解的。虫洞是广义相对论特有的，而纠缠是量子力学特有的，所以它们之间潜在的相似性是令人兴奋的。这表明这两种理论可能在某种程度上描述了完全相同的东西。

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芯片上的量子引力？

我们如何寻找虫洞和纠缠之间的潜在相似性？我们知道如何通过实验纠缠粒子。而且科学家这样做已经有一段时间了。因此，我们可以尝试建立一种特殊的量子系统：一种可以用我们用于虫洞的相同物理学来描述的系统。如果我们能在实验室中建立这样一个系统，它的行为就像一个虫洞，这将支持纠缠和虫洞是一枚硬币的两面的观点。

在量子计算机中，基本组件可以被置于各种量子态，用于运行量子实验。所以，看起来它们提供了一个机会来测试虫洞和纠缠之间的关系。

这也许就是为什么有报道说物理学家已经使用量子计算机产生了一个虫洞。但实际情况似乎并非如此，尽管理解原因并不简单。

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不是虫洞

物理学家所做的是将量子计算机的基本组件组织成特定的量子态。然后，他们能够通过量子系统将信息从计算机的一部分传输到另一部分。

量子系统，以及信息传递的方式，可以用物理学中的特定模型来描述。根据这一模型，发生在计算机内部的信息传输与某种东西通过虫洞的方式非常相似。

然而，正在使用的模型至少有两个局限性。

首先，它似乎对我们世界的物理学做出了不切实际的假设。特别是，它假设时空——宇宙的结构——具有某些它可能不具备的属性。

第二，这个模型已经被简化来描述一个可以用量子计算机实现的简单系统。这种简化的模型可能在物理上不准确。

因此，虽然我们可以使用一种特定的模型来描述计算机内部发生的事情，就像它是一个虫洞一样，但还不清楚这个模型是否代表了我们所知道的世界。

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实验和模拟

一些评论家提出了不同的理由来怀疑虫洞的存在：这只是一个模拟。正如一位所言，将这个系统视为一个虫洞“就像声称玩视频游戏门户网站需要创建一个实际的虫洞，因为它描绘了类似于屏幕上的理论概念的东西”。

我们确实必须小心从模拟中推断现实。然而，这个模拟的量子方面使它更像一个实验，而不是你可能在日常计算机上运行的普通模拟。

因此，这个模拟似乎可以合理地告诉我们一些关于它所模拟的量子系统的事情。然而，问题仍然是，我们只能将该系统解释为一个特定的、潜在的、不现实的物理模型中的虫洞。

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没有虫洞，但仍然令人印象深刻

因此，我们或许应该怀疑是否有虫洞被创造出来。尽管如此，仍有理由留下深刻印象。

首先，该团队使用机器学习技术来简化他们用来以一种有用的方式模拟它的模型。使用机器学习来产生简化的模型是很好的，我们应该期待在未来看到更多像这样的机器学习的使用。

同样重要的是，量子计算机被用来运行这种有争议的量子实验。这是完全可以做到的，这为进一步的实验开辟了道路。这可能会打开一个实验范式，可用于在物理学上取得进展。

还有一种可能性——尽管可能性很小——用来描述量子系统的模型的某些方面将被证明是正确的。这可能会导致在未来发现量子纠缠和虫洞之间的关系。

参考链接：

https://theconversation.com/did-physicists-make-a-wormhole-in-the-lab-not-quite-but-a-new-experiment-hints-at-the-future-of-quantum-simulations-195816

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