物理学家使用量子计算机观察虫洞动力学

科学家们首次开发了一种量子实验，使他们能够研究一种特殊的理论虫洞的动力学或行为。该实验并没有创造出真正的虫洞(空间和时间的破裂)，而是让研究人员能够探索理论虫洞与量子物理学之间的联系，即所谓的量子引力的预测。量子引力是指一组试图将引力与量子物理学联系起来的理论，这两种基本且经过充分研究的自然描述似乎在本质上是互不相容的。

“我们发现了一个量子系统，它展示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，”美国能源部科学研究计划基础物理量子通信通道的首席研究员MariaSpiropulu说(QCCFP)和加州理工学院的Shang-YiCh'en物理学教授。“这项工作是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的一步。它不会像其他计划中的实验那样替代直接探测量子引力，这些实验可能会在未来使用量子传感探测量子引力效应，但它确实提供了一个强大的试验台来实践量子引力的思想。”

该研究将于12月1日发表在《自然》杂志上。该研究的第一作者是哈佛大学的DanielJafferis和AlexanderZlokapa(BS'21)，他是加州理工学院的前本科生，他开始这个项目是为了完成他与Spiropulu的学士论文，后来转到麻省理工学院的研究生院。

虫洞是时空中两个遥远区域之间的桥梁。它们尚未通过实验观察到，但科学家们已经将它们的存在和特性理论化了将近100年。1935年，阿尔伯特·爱因斯坦和内森·罗森根据爱因斯坦的广义相对论将虫洞描述为穿过时空结构的隧道，该理论将引力描述为时空的曲率。研究人员将虫洞称为爱因斯坦-罗森桥，以两位物理学家的名字命名，而“虫洞”一词本身是由物理学家约翰·惠勒(JohnWheeler)在1950年代创造的。

2013年，JuanMaldacena和LeonardSusskind在理论研究中首次提出虫洞和量子物理学，特别是纠缠(一种两个粒子可以在很远的距离内保持连接的现象)可能存在联系的概念。物理学家推测虫洞(或“ER”)等同于纠缠(也称为“EPR”，以AlbertEinstein、BorisPodolsky[Ph.D.'28]和首先提出该概念的NathanRosen命名)。从本质上讲，这项工作在引力世界和量子物理学之间建立了一种新的理论联系。“这是一个非常大胆和富有诗意的想法，”ER=EPR工作的Spiropulu说。

后来，在2017年，Jafferis与他的同事PingGao和AronWall一起将ER=EPR的想法不仅扩展到虫洞，还扩展到可穿越的虫洞。科学家们编造了一个场景，在这个场景中，负排斥能量使虫洞保持足够长的打开时间，以便某些东西可以从一端穿过到另一端。研究人员表明，这种对可穿越虫洞的引力描述等同于称为量子隐形传态的过程。在量子隐形传态中，一种已通过光纤和空中长距离实验证明的协议，信息使用量子纠缠原理在空间中传输。

目前的工作探索了虫洞与量子隐形传态的等价性。加州理工学院领导的团队进行了第一个实验，探索从空间的一个点到另一个点的信息可以用引力语言(虫洞)或量子物理学语言(量子纠缠)来描述的想法。

2015年发生了一项激发可能实验的关键发现，当时加州理工学院的AlexeiKitaev，Ronald和MaxineLinde理论物理和数学教授表明，一个简单的量子系统可以表现出后来由Gao、Jafferis和Wall描述的相同对偶性，例如该模型的量子动力学等效于量子引力效应。这个Sachdev–Ye–Kitaev或SYK模型(以Kitaev和SubirSachdev和JinwuYe的名字命名，这两位研究人员之前从事过该模型的开发)导致研究人员建议，可以通过对虫洞进行实验来更深入地研究一些理论上的虫洞想法量子处理器。

进一步深化这些想法，Jafferis和Gao在2019年表明，通过纠缠两个SYK模型，研究人员应该能够执行虫洞隐形传态，从而产生和测量可穿越虫洞的预期动力学特性。

在这项新研究中，物理学家团队首次进行了此类实验。他们使用了一个准备保留引力特性的“婴儿”类SYK模型，并在谷歌的量子设备(即Sycamore量子处理器)上观察了虫洞动力学。为实现这一目标，该团队必须首先将SYK模型简化为简化形式，这是他们在传统计算机上使用机器学习工具实现的壮举。

Spiropulu说：“我们采用学习技术来寻找和准备一个简单的类似SYK的量子系统，该系统可以在当前的量子体系结构中进行编码，并且可以保留引力特性。”“换句话说，我们简化了SYK量子系统的微观描述，并研究了我们在量子处理器上发现的最终有效模型。令人好奇和惊讶的是，对模型一个特性的优化如何保留其他指标!我们有计划进行更多测试，以更好地了解模型本身。”

在实验中，研究人员将一个量子位——相当于传统硅基计算机中的一个位的量子位——插入到他们的一个类SYK系统中，并观察从另一个系统中出现的信息。信息通过量子隐形传态从一个量子系统传播到另一个量子系统——或者用引力的补充语言来说，量子信息通过可穿越的虫洞。

“我们进行了一种相当于重力图片中可穿越虫洞的量子隐形传态。为此，我们必须将量子系统简化为保留引力特性的最小示例，以便我们可以在谷歌的Sycamore量子处理器上实现它，“兹洛卡帕说。

共同作者、加州理工学院的研究生萨曼莎·戴维斯补充说：“得出结果花了很长时间，我们对结果感到惊讶。”

“这类实验的近期意义在于，引力视角提供了一种理解神秘的多粒子量子现象的简单方法，”加州理工学院理查德·P·费曼理论物理学教授兼加州理工学院主任约翰·普雷斯基尔说。量子信息与物质研究所(IQIM)。“我发现谷歌这项新实验的有趣之处在于，通过机器学习，他们能够使系统足够简单，可以在现有的量子机器上进行模拟，同时保留引力图片预测的合理漫画。”

在这项研究中，物理学家报告了从引力和量子物理学的角度预期的虫洞行为。例如，虽然量子信息可以通过多种方式在设备上传输或传送，但实验过程表明至少在某些方面等同于信息通过虫洞传播时可能发生的情况。为此，该团队试图使用负排斥能量脉冲或相反的正能量脉冲“支撑打开虫洞”。他们仅在施加等效的负能量时观察到可穿越虫洞的关键特征，这与虫洞的预期行为一致。

“我们使用的量子处理器的高保真度至关重要，”Spiropulu说。“如果错误率高出50%，信号就会完全被遮挡。如果错误率是一半，我们的信号就会增加10倍!”

未来，研究人员希望将这项工作扩展到更复杂的量子电路。尽管真正的量子计算机可能还需要数年时间，但该团队计划继续在现有的量子计算平台上进行这种性质的实验。

“量子纠缠、时空和量子引力之间的关系是基础物理学中最重要的问题之一，也是理论研究的活跃领域，”Spiropulu说。“我们很高兴朝着在量子硬件上测试这些想法迈出这一小步，并将继续前进。”

这项研究的标题是“量子处理器上的可穿越虫洞动力学”。其他作者包括：费米实验室的JosephLykken;DavidKolchmeyer，曾就职于哈佛大学，现为麻省理工学院博士后;NikolaiLauk，前加州理工学院博士后;和谷歌的HartmutNeven。