如何使用量子计算机寻找量子引力
科学的巨大挑战之一是如何调和构成现代物理学基础的两种理论。这两个理论是量子场理论和广义相对论，前者在最小的尺度上支配着宇宙，后者在最大的尺度上支配着宇宙。这些理论共同准确地描述了40个数量级范围内的现象。
令研究人员感到困惑的问题是：在这些理论重叠的地方会发生什么？换句话说，引力在量子尺度上是如何表现的？
答案是：量子引力的性质。这一答案让科学家们困惑不已，因为它是如此微妙，其影响如此之小，以至于用目前的传感器几乎没有观察到它的前景。
01. 量子引力的测量
但有另一种方法来研究量子引力，即在量子计算机上模拟它。现在，物理学家已经开始努力进行这样的模拟，尽管他们还没有模拟出量子引力本身，但他们说，这个过程揭示了一个新现象：一种从混乱的量子系统中完美传输经典信息的方式。
“这是一个令人惊讶的结果，因为人们并不期望强加扰系统能够传输经典比特，”加利福尼亚州劳伦斯伯克利国家实验室的 Illya Shapoval 及其同事说。
同样重要的是，这种关于量子引力的新思维方式取得了令人惊讶的成果。制定一个实用的实验方案的过程本身导致了对量子动力学的新的理论见解。
该团队的方法建立在理解量子引力的最新理论进展之上。所谓的全息原理是指，我们在周围看到的三维现实是在遥远的二维表面编码的全息图。
在这个理论中，引力从二维表示中出现，这种出现在一种称为共形场论 (CFT) 的量子场论和称为反德西特空间 (AdS) 的各种广义相对论之间建立了联系。
物理学家将此称为 AdS/CFT 对应关系，这是他们目前对量子引力性质的最佳猜测。然而，该理论的潜在可检验预测是如此微妙且规模如此之小，以至于没有人找到观察它们的方法，这主要是因为 AdS/CFT 理论仅适用于与我们自己显著不同的宇宙。
但他们已经找到了一些有希望的途径来进一步研究这一理论。一个途径便是研究量子信息在两个黑洞之间流动的方式。事实证明，在这些极端条件下，可以将量子信息从一个传送到另一个。并且该实验类似于通过它们之间的虫洞传递的信息。
这种“受虫洞启发的隐形传态”过程在物理学家中引起了极大的兴趣，因为它应该可以在我们自己的宇宙中以某些方式进行测试。这些测试的结果应该为 AdS/CFT 对应关系和量子引力的性质提供新的思路。
这就是Shapoval等人的新工作的意义所在。虽然不可能直接观察到这种现象，但也许我们可以使用量子模拟器和量子计算机在实验室中间接探测量子引力。
这正是他们使用两种类型的量子计算机所做的。第一个是IBM基于超导量子比特的量子计算机，可以基于多达七个量子比特的计算。第二个是Quantinuum 基于离子阱的量子计算机，可以处理多达 6 个量子比特。
02. 虫洞启发的隐形传态
该团队开发了量子软件，可以在两台量子计算机上重现虫洞启发的隐形传态，然后对结果进行表征。“我们在 IBM 和 Quantinuum 量子处理器上设计并进行了‘虫洞启发’的多体隐形传态实验，我们观察到的信号与预测一致，”Shapoval 及其同事说。
一个结果是，他们能够完美地传输一个经典的比特，尽管同一个系统会扰乱量子信息。
尚不清楚为什么这是可能的。但它为进一步调查提供了途径。特别是，研究人员很好奇这种机制在以这种方式传输信息方面是否具有任何优势。“我们的研究结果对 AdS/CFT 中的潜在机制提出了新的问题，其中可穿越的虫洞可以传输经典但不能传输量子数据，”该团队说。
这仅仅是开始。该团队一直小心翼翼地确保他们的方法适用于其他量子计算机，并且随着这些设备变得更加强大，它们将具有可扩展性。虽然这种方法不能直接测量量子引力，但它应该有助于物理学家探索未来可能揭示它的实验和理论架构。
研究团队表示，更大的收获是，开发实用实验协议的过程本身导致了对量子动力学的新理论见解，我们的结论是，我们很可能已经达到了一个点，即有可能从这个方向的甚至更高级的实验中获得定性和定量的重要结果。
这是一项有趣的工作，具有深远的意义，如果它最终能提供量子引力的可测试证据，并提供一条将量子场理论和广义相对论结合起来的途径。但是，即使它没有，它所允许的关于信息的新思维方式也应该为物理学家提供大量的思考。
引用：
[1]arxiv.org/abs/2205.14081