量子计算机创造虫洞？证伪！

光子盒研究院出品

去年秋天，一组物理学家宣布他们已经通过量子计算机中的全息虫洞传送了一个量子比特。现在，另一个小组认为情况并非如此。

近日，发表在arXiv的预印版论文《关于‘量子处理器上的可穿越虫洞动力学’的评论》可能证伪了量子计算机模拟的虫洞模型

2022年1月，一小队物理学家气喘吁吁地看着数据从谷歌的量子计算机“梧桐树

(Sycamore)”中流出来：一个尖锐的峰值表明他们的实验已经成功了。他们将一个单位的量子信息混合到一朵飘渺的粒子云中，并看着它从一个相连的云中出现：这就像看到一个鸡蛋在一个碗里自行翻炒，又在另一个碗里自行解炒。

2022年实验中，从SYK模型中模拟一个可穿越的虫洞哈密尔顿。

在几个关键方面，该事件非常类似于一个熟悉的电影场景：一艘航天器进入一个黑洞，但却从另一个完全不同的黑洞中跳出来。虫洞，正如这些理论上的路径所示，是一种典型的引力现象。通过实验结果，理论上科学家们有理由相信：这个量子比特已经穿过了一个行为完全像虫洞的量子系统（所谓的“全息虫洞”）——而这正是研究人员的结论。当它在11月发表时，该实验成为《自然》杂志的封面，并被媒体广泛报道。

现在，另一组物理学家分析了这一结果，并确定地表示，虽然该实验可能产生了一些模糊的类似虫洞的东西，但它并不是任何意义上的全息虫洞。根据新的分析，研究人员开始怀疑远距离传输实验毕竟与引力究竟有什么关系——实验中，引力解释的证据正在减弱。

不过，先前的小组确实在Sycamore芯片上传送了一些东西，而且他们传送的方式（至少在表面上）看起来比早期实验产生的任何东西都更像虫洞。关于如何解释该实验的争议涉及全息术(holography)的快速发展：全息术的功能是一种数学上的3D眼镜，让物理学家可以把量子系统看成一个引力系统。通过引力透镜研究虫洞、发现传送量子信息的新方法，使人们希望这种量子实验有朝一日能朝另一个方向发展：在实验室里探测量子引力。

因为量子纠缠，量子系统可以显示出非经典的关联模式，即使各部分相隔很远。全息原理告诉我们，一些非引力性的量子态在高维引力态方面有另一种描述——这种替代描述被称为全息对偶。2022年，Jafferis等人在一台量子计算机的两半之间产生了某种高度纠缠的量子态，选择它的全息对偶是一个被称为“涌现虫洞(emergent wormhole)”的实体，在两个外部区域之间延伸。然后他们模拟了一个穿越这个虫洞的信息。

但虫洞的争论突出了这样一个事实：确定全息术何时工作，以及量子引力是否可能在量子计算机上获得，可能需要比物理学家想象的、更大的微妙性。那么，实验室里的量子引力是否存在？

长期以来，虫洞一直存在于科幻小说家的作品中，他们需要一种机制来快速移动角色、穿越浩瀚的空间。爱因斯坦引力理论中出现的虫洞最初似乎极不可能，需要对时空进行棘手的操作，这不可避免地会导致“外祖母悖论”。

这种情况在2016年发生了变化，当时，哈佛大学的哈佛Ping Gao、Daniel Jafferis以及当时在高级研究所的Aron Wall发现了一种意想不到的、简单且无悖论的方法，用负能量的冲击波撑开了一个虫洞。

“这相当漂亮。”加州理工学院的量子物理学家Hrant Gharibyan说：“这一进展开始了这个方向的整体思考。”

引力在量子体系中是如何工作的？弦理论中的全息二象性为揭开这个谜团提供了一个强有力的工具。

这项工作的基础是现代物理学中比较热门的趋势之一——全息学。

全息学涉及对二元性关系(dualities)的深刻研究。从表面上看，二元系统看起来完全不同：它们有不同的部分、按照不同的规则运作；但是，如果两个系统是对偶的，一个系统的每个方面都可以与另一个系统的某个元素精确地联系起来（例如，电场与磁场是双重的）。现代物理学的一个主要发现是，二元性似乎也将某些引力系统与量子系统联系起来。

例如，我们可以完全在量子理论的框架内考虑一个相互作用的粒子集合。或者，就像戴上一副3D眼镜一样，我们可以把粒子集合看作是一个受引力规则支配的黑洞。

物理学家已经花了几十年时间开发数学“字典”，让他们将量子元素转化为引力元素，反之亦然。他们观察粒子、黑洞和虫洞是如何在两种视角之间转换的。从一个角度难以进行的计算，从另一个角度往往更容易。该领域的一个主要愿景是，通过研究更好理解的量子理论，来发展神秘的量子引力规则。

但是，问题比比皆是。当以全息方式观察时，是否每一个可以想象的量子理论都会突然变成一个引力理论？物理学家能否通过找到其更好的量子孪生兄弟来理解我们宇宙中的引力？没有人知道。

在2016年，Gao、Jafferis和Wall已经提出，虫洞可能有一个量子解释：量子信息的隐形传态。几年后，另一个团队将他们的猜测具体化。

哈佛大学的理论物理学家Daniel Jafferis帮助开发了虫洞传送协议。他也是去年虫洞团队的领导人之一。

2019年，Gharibyan和他的合作者将可穿越的虫洞翻译成量子语言，公布了一个奇特的量子实验步骤，并展示了全息的本质。戴上3D眼镜，实验者就会看到一个虫洞：物体进入一个黑洞、穿越一种时空桥梁，然后离开另一个黑洞；然而，摘下眼镜，实验者就会看到双量子系统。

两个黑洞变成了两个巨大的粒子云，时空之桥变成了量子纠缠，而穿越虫洞的行为变成了一个从量子角度看来相当惊人的事件：一个携带量子比特的粒子进入一个纠缠云，随后，该量子比特又作为另一个粒子离开纠缠云。这就像在休斯顿看到一只蝴蝶被飓风撕碎，而在东京却看到一只相同的蝴蝶从台风中跳出来一样。

这个过程非常有意义。但是，纠缠在一起的粒子云并不是我们宇宙中的虫洞——虽然它们与虫洞对等的。这意味着它们对可穿越的虫洞所能做的任何事情都有相互匹配的行为：包括传输一个量子比特。

这就是该团队在11月的《自然》论文中宣布的内容。他们在量子计算机中模拟了两个纠缠粒子云的行为，并进行了一次隐形传态，从全息角度捕捉到了穿越虫洞的基本信息。

但这并不是解释他们实验的唯一方法——引力并不总是必不可少的。

引力以一种非常特别的方式扰乱信息。事实上，理论家们认为，黑洞一定是自然界中最有效的扰乱者。但是，当Gharibyan和他的同事们使用以不同于引力的量子规则进行扰动的粒子云时，他们意识到，这些粒子云仍然可以通过扰动传送，尽管效率较低。而当他们通过全息术观察这些“替代云”时，他们什么也没看到——没有虫洞。

哈佛大学的物理学家Norman Yao领导的团队可能证伪了去年的虫洞论文。

Gharibyan的研究小组和伯克利大学Norman Yao（后来搬到了哈佛大学）领导的另一个小组在2021年同时发表了两篇论文，把所有的东西都放在了一起。

这些论文列出了一些特征，这些特征将引力传送(gravitational teleportation)与通过更普通的各种扰动进行的传送区分开来。特别是，他们确定了所有量子系统的一个特征——尺寸缠绕(size winding)，可以全息地与一个粒子落入虫洞的速度联系起来。

去年春天，科学家们在两台量子计算机上进行了一个通过扰动实现隐形传态的实验：一台由IBM操作、另一台由Quantinuum操作。他们把他们的传送演示称为“wormhole-inspired”，因为他们知道他们的量子模型使用了非引力扰动的方法。当时，他们怀疑真正的引力传送的实验演示将需要十年或更长的时间。

需要注意的是，这些量子计算机并不真的包含粒子云；相反，它们含有量子比特（量子比特可以由实际的原子或人造原子制成）。当科学家为计算机编程时，他们需要根据哈密顿函数改变量子比特；哈密顿函数描述了量子比特从一个时刻到下一个时刻的变化。实际上，这个方程让他们为量子比特定制了量子物理学定律：当计算机运行时，它进行一种模拟——模拟受这些定律支配的真实粒子云将如何行动。

问题来了：为了明确展示引力传送，需要大的粒子云。多大？越大越好。理论家们已经在基本上是无限大的粒子云下完成了所有的数学运算；同时，研究人员们普遍认为，每朵云中有100个粒子就足以让虫洞出现。

然而，随着粒子数量增加，哈密顿方程就会太大而无法实现。如果使用一种更易操作的重力模型（SYK模型）对粒子进行建模，哈密顿方程必须反映这样一个事实：一组粒子的每个成员都可以直接影响其他每个成员。

100个密集连接的粒子的哈密顿方程是一个具有惊人的3,921,225项的方程：这远远超出了今天的量子计算机用几十个量子比特所能模拟的范围。即使人们愿意满足于只有20个粒子云的模糊虫洞对偶，哈密顿方程也将会有4,845个项——令人望而却步。这个障碍是团队认为真正的虫洞模拟还有十年时间的一个关键原因。

然后在去年11月，由Jafferis、费米国家加速器实验室的Joseph Lykken和加州理工学院的Maria Spiropulu领导的研究小组宣布，他们只用7个粒子就运行了一个完美的量子实验，这是被认为建立引力对偶存在的关键标志，因此也是一个虫洞；更令人惊讶的是，他们能够将这个七粒子系统的行为塞进一个只有五个项的哈密顿方程。

去年的实验是在谷歌Sycamore量子计算芯片的七个量子比特上进行的。

该小组工作的核心是以一种新的方式整理那些由SYK哈密顿描述的许多粒子与粒子之间的联系。许多物理学家已经通过删除随机项来“稀释”给定量的SYK模型，发现更简单的版本可以保持原始哈密顿的全息特性。

Jafferis和他的合作者认为，与其随机删除连接，不如使用机器学习，只智能地修剪那些不影响隐形传态能力的连接。

研究人员瞄准了10个粒子的SYK模型：它有一个210项的哈密顿。他们在一台标准计算机上模拟了10个粒子云之间的隐形传态，并设计了一种机器学习算法，在不破坏其传送能力的情况下尽可能地简化哈密顿模型。该算法返回了一个极其稀疏的哈密顿方程，只测量了五个项，捕获了两个七粒子云之间的隐形传态。该方程简单到可以在谷歌的Sycamore量子处理器上运行，这是一个值得注意的成就。

谷歌的Sycamore量子处理器必须在像这样的低温箱中保持在绝对零度以上。

Sycamore实验证实，哈密顿量可以进行隐形传态，就像它被训练的那样。但真正让研究人员兴奋的是，这帮量子比特还显示出完美的尺寸缠绕——这应该是引力对偶的标志。研究人员似乎做了相当于把龙卷风熬成一把分子的工作，尽管这些分子在很大程度上不能相互作用，但仍然设法保持了特有的漏斗形状。

该领域的许多人都被这个模型的简单程度所震惊。特别是Norman Yao和他在伯克利的同事Bryce Kobrin、Thomas Schuster，他们开始研究这样一个简单的模型如何捕捉到难以言喻的、混乱的重力。

2月15日，这三人发布了他们的调查结果，其中涉及分析自然团队的简单哈密顿的数学特性和行为；目前，这篇文章还没有经过同行评议。他们的主要发现是，这个简单的模型在关键方面偏离了其母体的重力模型。该小组认为，这些差异意味着研究人员认为是引力标志的信号不再适用，正因为如此，去年Jafferis小组所看到的最好描述不是引力传送。

已有模型和其他随机小尺寸全通量哈密顿量的尺寸缠绕行为比较。

研究人员还为全息学的所谓特征提出了一个非引力性的解释。五项哈密顿确实有这个特征，但他们测试的其他随机五项换算的哈密顿也有这个特征。此外，当他们试图在保持换向特性的同时增加粒子的数量时，尺寸缠绕的信号应该加强。相反，它消失了。物理学家得出了一个研究人员以前没有掌握的结论，因为没有人以全息方式研究过这种简单的模型：许多完全互换的小哈密顿似乎有完美的尺寸缠绕，尽管这些模型没有引力对偶。这一发现意味着，在小系统中，完美的尺寸缠绕并不是引力的标志——它只是系统的一个副作用。

现在，两个小组都拒绝发表评论，同时他们通过同行评议的出版物来解决他们的分歧。Yao小组已经向《自然》杂志提交了他们的分析，Jafferis、Lykken和Spiropulu小组可能会在近期回应。

参考链接：

[1]https://arxiv.org/abs/2205.14081

[2]https://arxiv.org/pdf/2302.07897.pdf

[3]https://www.quantamagazine.org/wormhole-experiment-called-into-question-20230323/#comments

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