物理学家据称创造了有史以来第一个虫洞，这是一种由阿尔伯特·爱因斯坦和内森·罗森在1935年提出的理论，通过进入额外的空间维度，从一个地方通往另一个地方的隧道。

虫洞就像一个全息图，由存储在微型超导电路中的量子比特信息（量子位）产生。通过操纵量子比特，物理学家通过虫洞发送信息，他们今天在《自然》杂志上报告说。

由加州理工学院的斯皮罗普鲁（Maria Spiropulu）领导的团队使用谷歌的量子计算机实现了新颖的“虫洞隐形传物协议”，该设备名为Sycamore，位于加利福尼亚州圣巴巴拉的谷歌量子AI。

当斯皮罗普鲁看到量子比特正在通过虫洞的密钥签名时，她说。

我被吓坏了。

这个实验可以被视为全息原理的证据，全息原理是一个关于基本物理学的两大支柱——量子力学和广义相对论——如何结合在一起的全面假设。自20世纪30年代以来，物理学家一直致力于调和这些互不相干的理论——一个是关于原子和亚原子粒子的“规则手册”，另一个是爱因斯坦关于物质和能量如何扭曲时空结构、产生引力的描述。全息原理，自20世纪90年代起兴起，在两个框架之间假定了一种数学等价或“对偶性”。它说由广义相对论描述的弯曲时空连续体实际上是粒子伪装的量子系统。时空和引力从量子效应中显现出来，就像3D全息图从2D模式中投射出来一样。

事实上，新的实验证实，我们可以在量子计算机中控制的量子效应，可以产生一种我们期望在相对论中看到的现象——虫洞。研究人员说，Sycamore芯片中不断发展的量子比特系统“有一种非常酷的替代描述”，你可以用一种非常不同的语言把这个系统想象成引力。

需要说明的是，与普通的全息影像不同，虫洞不是我们可以看到的东西。根据虫洞隐形传物协议的主要开发者的说法，虽然它可以被认为是“真实时空的细丝”，但它并不属于我们所居住的现实世界的一部分。全息原理认为两个现实——一个有虫洞，一个有量子位——是同一物理的交替版本，但如何概念化这种二元性仍然是一个谜。

至关重要的是，实验中的全息虫洞由一种不同于我们自己宇宙的时空组成。这个实验是否进一步证实了我们所居住的时空也是由量子比特构成的全息的假设，仍存在争议。

进入虫洞

全息虫洞的故事可以追溯到1935年发表的两篇看似毫不相干的论文：一篇是爱因斯坦和罗森的论文，被称为ER，另一篇是他们两人和鲍里斯·波多尔斯基的论文，被称为EPR。

在《ER》的论文中，爱因斯坦和他的年轻助手罗森在试图将广义相对论扩展为一个统一的万物理论时，偶然发现了虫洞的可能性——这个理论不仅描述了时空，还描述了悬浮在其中的亚原子粒子。1916年，在爱因斯坦发表广义相对论几个月后，德国物理学家兼士兵卡尔·史瓦西在广义相对论的褶皱中发现了时空结构中的障碍。史瓦西证明了质量自身的引力可以如此之大，以至于它无限地集中在一个点上，时空在那里急剧弯曲，以至于变量变为无穷大，爱因斯坦的方程就失灵了。我们现在知道这些“奇点”存在于整个宇宙中。它们是我们既无法描述也无法看到的点，每个点都隐藏在黑洞的中心，黑洞的引力会捕获附近所有的光。奇点是量子引力理论最需要的地方。

爱因斯坦和罗森推测史瓦西的数学可能是将基本粒子插入广义相对论的一种方法。为了使这一图景正确，他们把奇点从方程中去掉，用一个滑向时空另一部分的额外维度管替换了奇点。爱因斯坦和罗森错误但有先见之明地认为，这些“桥”（虫洞）可能代表粒子。

具有讽刺意味的是，在努力将虫洞和粒子联系起来的过程中，两人并没有考虑到两个月前他们与波多尔斯基在EPR论文中发现的奇怪粒子现象：量子纠缠。

当两个粒子相互作用时就会产生纠缠。根据量子定律，粒子可以同时有多种可能的状态。这意味着粒子之间的相互作用有多种可能的结果，这取决于每个粒子开始时的状态。不过，它们的最终状态总是相互关联的——粒子A的最终状态取决于粒子B的最终状态。在这样的相互作用之后，粒子有一个共同的公式，它指定了它们可能处于的各种组合状态。

这个令人震惊的结果，让EPR的作者怀疑量子理论：测量粒子A立即决定了B的相应状态，无论B有多远。

自从物理学家在20世纪90年代发现量子纠缠可以进行新的计算以来，人们对它的重视程度就直线上升。纠缠两个量子位会产生四种可能性不同的状态。三个量子位同时产生八种可能状态，以此类推。“量子计算机”的能力随着每增加一个纠缠量子比特而呈指数增长。在过去的几年里，由几十个量子比特组成的量子计算机原型已经实现。

同时，量子引力研究人员关注量子纠缠的另一个原因是，它可能是时空全息图的源代码。

ER = EPR

关于涌现时空和全息图的讨论始于20世纪80年代末，当时黑洞理论家约翰·惠勒发表了时空及其中的一切都可能源自信息的观点。很快，其他研究人员，包括荷兰物理学家杰拉德·T·胡夫特，想知道这种出现是否可能类似于全息图的投影。在黑洞研究和弦理论中已经出现了这样的例子，对一个物理场景的描述可以转换为一个额外的空间维度的同样有效的观点。在1994年的一篇题为《全息图中的世界》的论文中，斯坦福大学的量子引力理论家伦纳德·苏斯金德丰富了胡夫特全息原理，认为广义相对论描述的弯曲时空的体积与该区域低维边界上的量子粒子系统是等价的。

三年后，全息图的一个重要例子出现了。新泽西州普林斯顿高级研究所的量子引力理论家胡安·马尔达塞纳发现，一种被称为反德西特（AdS）空间的空间确实是一个全息图。

• 马尔达塞纳（左）和苏斯金德是被称为全息术的量子引力方法的领导者。2013年，他们提出时空中的虫洞相当于量子纠缠，这个猜想被称为ER = EPR。

真正的宇宙是德西特空间，一个由自身正能量驱动的不断增长的球体。相比之下，反德西特空间被注入了负能量赋予空间一个“双曲”几何形状。马尔达塞纳指出，反德西特空间宇宙中的时空和引力与边界上的量子系统（特别是称为共形场论（CFT）的系统）的性质完全对应。

马尔达塞纳1997年的论文描述了这种“AdS/CFT对应关系”。研究人员说，

几十年来，试图利用基于AdS/CFT的思想一直是数千名最优秀理论家的主要目标。

当马尔达塞纳自己探索动态时空和量子系统之间的AdS/CFT地图时，他对虫洞有了新的发现。他正在研究一种涉及两组粒子的特殊纠缠模式，其中一组粒子中的每个粒子与另一组粒子中的一个粒子纠缠。马尔达塞纳表明，这种状态在数学上与一个相当戏剧性的全息图是对应的：AdS空间中的一对黑洞，它们的内部通过虫洞连接。

马尔达塞纳在2013年意识到他的发现可能意味着量子纠缠和虫洞连接之间更普遍的对应关系之前，已经过去了十年。他创造了一个神秘的方程——ER = EPR，苏斯金德马上就明白了。两人很快共同提出了这个猜想，

我们认为，两个黑洞之间的爱因斯坦·罗森桥是由两个黑洞微观状态之间的类似于EPR的相关性创建的，而对偶性可能比这更普遍。人们很容易认为，任何与EPR相关的系统都是由某种ER桥连接的。

也许虫洞连接了宇宙中每一对纠缠的粒子，形成了一个空间连接，记录了它们共同的历史。也许爱因斯坦关于虫洞与粒子有关的预感是正确的。

坚固的桥

当杰弗里斯（Jafferis）在2013年的一次会议上听到马尔达西那关于ER = EPR的演讲时，他意识到，通过推测的对偶性，你可以通过调整纠缠模式来设计定制的虫洞。

杰弗里斯设想在两组纠缠粒子之间串一根线或任何其他物理连接，这些粒子编码了虫洞的两个口。在这种耦合下，对一边的粒子进行操作会导致另一边的粒子发生变化，可能会撑开它们之间的虫洞。这能让虫洞变得可穿越吗？杰弗里斯最终计算出，确实，通过耦合两组纠缠粒子，你可以在左边的那组粒子上执行一个操作，在对偶高维时空图中，打开通向右边口的虫洞，推动一个量子比特通过。

杰弗里斯等在2016年发现了这个全息的、可穿越的虫洞，为研究人员了解全息力学提供了一个新的窗口。

几个月之内，马尔达塞纳和两个同事在这个计划的基础上进一步证明了可穿越虫洞可以在一个简单的环境中实现——“一个足够简单的量子系统，我们可以想象制造它，”杰弗里斯说。

所谓的SYK模型是一个物质粒子的系统，它们以群体的形式相互作用。1993年，Subir Sachdev和Jinwu Ye首次描述了这个模型。2015年，理论物理学家基塔耶夫（Alexei Kitaev）发现了它是全息的，这个模型突然变得重要多了。基塔耶夫证明物质粒子以四组为一组相互作用的模型的特定版本在数学上可以映射到AdS中的一维黑洞

马尔达塞纳和他的合作者把这些点连接起来，提出两个SYK模型连接在一起可以对杰弗里斯的可穿越虫洞的两个口进行编码。到2019年，他们找到了一种具体的方法，可以将一个量子比特信息从一个四向相互作用的粒子系统传送到另一个粒子系统。在对偶时空图中，旋转所有粒子的自旋方向会转化为一种横扫虫洞的负能量冲击波，将量子比特向前踢出，并在可预测的时间将其踢出虫洞。

杰弗里斯的虫洞是ER = EPR的第一个具体实现，他展示了这种关系完全适用于一个特定的系统。

实验室的虫洞

随着理论工作的发展，参与了2012年希格斯玻色子发现的颇有成就的实验粒子物理学家玛丽亚·斯皮洛普鲁（Maria Spiropulu）正在思考如何使用新生的量子计算机来进行全息量子引力实验。2018年，她说服杰弗里斯加入她不断壮大的团队。

为了在最先进的量子计算机上运行杰弗里斯的虫洞隐形传态协议，斯皮洛普鲁的团队必须大大简化协议。一个完整的SYK模型由几乎无限多的粒子以随机强度相互作用组成，因为四方相互作用贯穿始终。这是不可计算的。研究人员着手创建一个全息虫洞，只需要7个量子位和数百个操作。为了做到这一点，他们只编码最强的四向相互作用，忽略其余的，同时保留模型的全息特性。

• 加州理工学院的物理学家斯皮洛普鲁领导了这个新虫洞实验的团队。

程序员将SYK模型的粒子相互作用映射到神经网络神经元之间的连接上，并训练该系统在保留关键虫洞信息的同时删除尽可能多的网络连接。这一过程将四方互动的次数从数百次减少到5次。

基于此，该团队开始编写Sycamore的量子位。7个量子比特编码14个物质粒子——在左、右SYK系统中各有7个，其中左边的每个粒子都与右边的一个粒子纠缠。第8个量子比特，处于状态0和1的某种概率组合中，然后与左边SYK模型中的一个粒子交换。这个量子比特的可能状态很快就会与左边其他粒子的状态纠缠在一起，就像水滴在水中一样，把它的信息均匀地散布在它们中间。这与进入反德西特空间一维虫洞左口的量子比特在全息上是对偶的。

然后是所有量子位元的大旋转，与穿过虫洞的负能量脉冲相对应。旋转导致注入的量子比特转移到右边SYK模型的粒子。然后信息就会停止传播，并重新聚焦在右侧单个粒子的位置——被交换出来的左侧粒子的纠缠伙伴。然后测量量子位的所有状态。对多次实验运行的0和1进行计数，并将这些统计数据与注入量子位的准备状态进行比较，就可以揭示量子位是否在进行远程传输。

研究人员在数据中寻找峰值，以代表两种情况的差异：如果他们看到峰值，这意味着对偶于负能量脉冲的量子位旋转允许量子位传送，而相反方向的旋转，对偶于正能量脉冲，不让量子位通过。(相反，它们会导致虫洞关闭。)

经过两年的逐步改进和降噪努力，峰值出现在了电脑屏幕上。研究人员说，我想我们现在看到了一个虫洞。这个峰值是你可以在量子计算机上看到引力的第一个迹象。

• Sycamore芯片的多个副本之一的外壳，它由50多个由超导铝电路制成的量子位组成。

斯皮洛普鲁简直不敢相信自己看到的是如此干净、清晰的峰值，

这与我看到希格斯粒子发现的第一批数据时非常相似，不是因为我没有预料到，而是它太多地出现在我面前了。

虫洞的意义

最重要的收获之一是这个实验对量子力学的解释。像纠缠这样的量子现象通常是抽象的。但在新的实验中，一种不可言说的量子现象——信息在粒子之间传送——有了具体的解释。也许像隐形传态这样的量子过程总能感受到量子比特的引力。如果这样的东西可以从这个实验和其他相关的实验中得到，那它肯定会告诉我们关于宇宙的更深的东西。这样的量子系统比目前编程的系统要复杂得多。似乎可以肯定的是，现在有了一个全息虫洞，更多的虫洞将会打开。

来源：quantamagazine