寻找量子引力？量子计算机了解一下

5月30日的一篇arXiv论文《在量子处理器实验室中迈向量子引力》[1]显示，美国劳伦斯伯克利国家实验室团队运用全息原理及其在AdS/CFT对应关系中的实现导致了广义相对论和量子信息之间的联系，为研究量子引力模型的各个方面奠定了基础。

科学的巨大挑战之一是如何调和现代物理学基础的两种理论——量子场理论和广义相对论：前者在最小的尺度上管理着宇宙，后者在最大的尺度上管理着宇宙。这两大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？尽管物理学家现在还没有模拟出量子引力本身，但模拟过程已经揭示了一个新的现象：一种从混沌量子系统中完美传输经典信息的方式。

加州劳伦斯伯克利国家实验室的Illya Shapoval及其同事说：“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[2]。”同样重要的是，这种关于量子引力的新方式极富成效，他们补充说：“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最新量子引力的理论进展——全息原理，全息原理是指我们在周围看到的三维现实是在二维表面编码的全息图。通过这个理论，引力从二维表象中出现在共形场论（conformal field theory，CFT）和反德西特空间（Anti-de Sitter space，AdS）广义相对论之间建立了联系。

物理学家称其为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，这一理论的潜在测试预测极其微妙且规模很小，没有人能找到观察它们的方法，因为AdS/CFT理论只在与我们生活的宇宙明显不同的宇宙中起作用。但物理学家已经发现了一些途径有望进一步研究这一理论：其中一个是研究量子信息在两个黑洞之间的流动方式。已证明在极端条件下，有可能将量子信息从一个黑洞传送到另一个黑洞，类似于信息在它们之间通过一个虫洞。

受虫洞启发的隐形传态（WIT）协议的电路概述。关键步骤是贝尔对的制备（蓝色），向前（绿色）和向后（红色）的时间演化，以及两面耦合（橙色）。状态|ψ⟩的成功远程传输可以通过研究时间演化算子的相关性（correlators）来判断。

这种“受虫洞启发的隐形传态”过程可以在我们自己的宇宙中以某些方式进行测试，测试结果可以对AdS/CFT的对应关系和量子引力的性质提出新的看法，这就是Shapoval等人研究成果的意义所在。虽然不可能直接观察到这种现象，但“也许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”。

实验中，他们使用两种类型的量子计算机：第一种是IBM Quantum，拥有7个超导transmon量子比特的量子计算机；第二个是Quantinuum离子阱量子处理器，可以处理多达6个量子比特。

同时，团队还开发了量子软件，从而在两台量子计算机上重现受虫洞启发的隐形传态。结果是，他们能够完美地传输一个经典比特，尽管同一个系统会加扰量子信息。Shapoval表示：“我们在IBM和Quantinuum量子处理器上设计并进行了受虫洞启发的多体隐形传态实验，最后观察到与预测一致的信号。我们的发现提出了关于AdS/CFT的潜在机制的新问题，在这些机制中，可穿越的虫洞可以传输经典数据而不是量子数据。”

这仅仅是个开始。

为什么会发生这一现象目前还不清楚。同时，这种机制是否在以这种方式传输信息时是否提供了任何优势呢？研究团队表示：“更大的结论是，开发一个实用的实验协议过程本身导致了对量子动力学的新的理论见解。我们的结论是，这项成果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。”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。

这项工作具有深远的意义：它可能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；即使没有，它所允许的关于信息的新思维方式也为物理学家提供了大量的思考。

链接：

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

[2]https://www.discovermagazine.com/the-sciences/quantum-computers-are-physicists-latest-tools-for-discovering-quantum