突破性虫洞模拟可能将量子物理学和广义相对论结合起来

这一突破可能为研究“量子引力”提供了一种方法，即实验室中量子物理学和爱因斯坦广义相对论之间缺失的联系。

科学家们设计了一个量子实验，使他们能够研究虫洞的动力学，虫洞是理论时空实体，最早出现在阿尔伯特·爱因斯坦1915年的引力理论或广义相对论中。

该团队没有创建一个实际的虫洞，即理论上在一个遥远的空间区域与另一个空间区域之间形成桥梁的时间和空间裂缝，而是建立了一个在量子处理器上运行的虫洞模型。这使他们能够研究虫洞的物理学以及它们与所谓的“量子引力”的潜在联系。

“我们发现了一个量子系统，它表现出引力虫洞的关键特性，但足够小，可以在今天的量子硬件上实现。”美国能源部科学研究计划基础物理量子通信通道（QCCFP）首席研究员Maria Spiropulu在一份声明中说，“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。

共同作者、加州理工学院研究生萨曼莎·戴维斯（Samantha Davis）在声明中表示，“花了很长时间才得出结果”，研究小组对这一结果表明，类似虫洞的行为可以从量子物理学和广义相对论的角度来解释，这让研究小组感到惊讶。

Spiropulu也是加州理工学院的Shang-Yi Ch'en物理学教授，他补充说，虽然这种新模型不能替代量子引力的直接探测，但它确实提供了一种在实验室中研究量子引力思想的有力方法。

爱因斯坦的广义相对论是科学家对真正大规模宇宙的最佳描述，而量子物理学是亚原子世界最准确的图景。这个问题就像这两个物理学领域自20世纪初成立以来变得如此强大，但它们并没有联合起来。

这是因为在量子物理学的尺度上没有对引力的描述，而引力是广义相对论的主要关注点。这使得“量子引力理论”的发现成为物理学家迫切关注的问题，也是物理学中长期追捧的“万物理论”的关键。

该团队的量子创造虫洞可能是朝着这一任务的正确方向迈出的一步。

自1935年以来，科学家们一直在对虫洞进行理论研究，当时阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）采用了他1915年的广义相对论方程，并与美国 - 以色列物理学家内森·罗森（Nathan Rosen）一起将它们描述为穿越时空结构的隧道。

这些时空隧道获得了“爱因斯坦-罗森桥”的绰号，后来被黑洞专家约翰·惠勒在1950年代命名为虫洞。

在这张图中，中心的超大质量黑洞被流向黑洞的物质包围，被称为吸积盘。（图片来源：NASA/JPL-Caltech）

2013年，虫洞和纠缠之间建立了联系，量子物理学的元素表明，两个粒子可以以这样的方式连接起来，无论它们相距多远，改变一个都会立即改变另一个，即使它们位于宇宙的两侧彼此。

物理学家胡安·马尔达西纳（Juan Maldacena）和伦纳德·萨斯金德（Leonard Susskind）将广义相对论和量子物理学这两个不同的世界联系起来，他们认为虫洞等同于纠缠，因为它们都描述了宇宙遥远区域之间的联系。“这是一个非常大胆和诗意的想法，”斯皮罗普卢说。

2017年，Maldacena和Susskind提出的想法得到了哈佛大学物理学家Daniel Jafferis及其同事的扩展。

他们发展了一个概念，其中负排斥能量使虫洞保持足够长的时间，以便某些东西从一端通过到另一端，从而创建一个可穿越的虫洞。

可穿越虫洞的概念类似于量子物理学的另一个特征，即量子隐形传态，它使用纠缠原理通过使用光纤或通过空气来远距离传输信息。

目前的研究采用了虫洞和量子隐形传态之间的潜在联系，并更详细地探索了它，因为加州理工学院领导的团队进行了第一次实验，这些实验探索了从空间中的一个点传播到另一个点的信息可以使用广义相对论建立的引力语言或通过量子纠缠 - 量子物理学的语言来描述。

科学家称进出虫洞的点为“嘴”，而隧道本身则称为“喉咙”。（图片：Victor Habbick Visions Photo Library ）

该团队通过开发一个婴儿Sachdev-Ye-Kitaev（SYK）量子系统并将其与另一个SYK系统纠缠在一起开始工作，从而建立了一个保留引力特性的模型。

然后将该模型简化为简化形式，并在传统计算机上进行机器学习，之后科学家们可以在谷歌的Sycamore量子处理器上观察类似虫洞的动力学。

“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架构中编码，并将保持引力特性。”Spiropulu说，“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有效模型。

在实验中，该团队将量子比特（量子计算的基本单位，相当于传统计算中的标准比特）引入其中一个SYK。然后他们看着另一个SYK出现的信息。

这意味着信息从一个量子系统传播，并通过量子物理学语言中的量子隐形传态从另一个量子系统出现。然而，用重力的语言来说，这复制了穿越虫洞的旅程。

可穿越虫洞的关键特征只有在团队试图使用排斥负能量脉冲支撑他们的时空桥梁模型时才表现出来。这反映了如果发现真正的虫洞存在，它们在太空深处的表现。

该团队进行的测试是同类实验中的第一个，只有通过使用谷歌量子处理器的高保真度才能实现。

“如果错误率高出50%，信号就会完全被遮挡。如果他们是一半，我们将有10倍的信号！斯皮罗普鲁说。“令人好奇和惊讶的是，对模型的一个特征的优化如何保留了其他指标。我们计划进行更多测试，以更好地了解模型本身。

这些未来的测试将涉及将工作转移到更复杂的量子电路上 - 尽管全量子计算机的出现可能还需要数年时间才能实现。

“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，也是理论研究的一个活跃领域，”Spiropulu总结道。“我们很高兴能够在量子硬件上迈出这一小步，并将继续前进。

该团队的研究将于周四（12月1日）发表在《自然》杂志上。