从来没有过的事：量子计算机为人类造了一个“虫洞”，可穿越

一次针对“可穿越虫洞”的量子实验。

一次针对“可穿越虫洞”的量子实验。A. Mueller

12月1日，一些科学家在《自然》杂志上刊文称，为了研究量子物理学和广义相对论之间的关系，他们用量子处理器造出了一个“虫洞”。

当然，这个“虫洞”并不存在于现实世界里，而是一个“模型”。

“虫洞”是连接不同时空的“桥梁”，或“捷径”。其概念源自爱因斯坦的广义相对论。为了研究“虫洞”的动力学特点，以美国能源部科学办公室基础物理学量子通信首席研究员玛丽亚·斯皮罗普卢为首的一个科研团队，近日使用谷歌的量子处理器，为“虫洞”建了一个模型。通过这个模型，科学家可以探索量子物理学和广义相对论之间的关系。

这个模型让研究人员发现，“虫洞”的行为方式，可以同时从量子物理学和广义相对论两个角度进行解释。它为科学家在实验室里探究量子引力论提供了一种强有力的方式。

爱因斯坦的广义相对论擅长解释宏观宇宙，而量子物理学专注于展现神奇的亚原子微观世界。但是这两个伟大的理论却无法统一在一起。原因在于量子物理学在微观尺度上没有给出针对引力的解释——而引力是广义相对论的重点。由此科学家一直在追求获得一种“量子引力论”。且这种“量子引力论”同时也是获得所谓“万物理论”的关键。

“虫洞”的概念是爱因斯坦和物理学家内森·罗森一起提出来的，因此又常被称为“爱因斯坦-罗森桥”。它是一种时空中的隧道。自上世纪50年代黑洞专家约翰·惠勒称之为“虫洞”后，“虫洞”的叫法逐渐流行。

此前的研究显示，“虫洞”和量子纠缠之间存在着某种关联。量子纠缠是一种量子物理现象，表现为两个粒子无论相距多远，即便分处宇宙的两端，都能在瞬间针对另一个粒子的行为作出反应。而“虫洞”等价于量子纠缠，因为它们都可以用“超距离联系”进行解释。

有科学家认为，一种排斥性的“负能量”能够将“虫洞”维持在打开的状态，使之保持“可穿越性”。这就是所谓的“可穿越虫洞”。而“可穿越虫洞”这个概念与量子物理学中的“量子传送”非常相似。“量子传送”是指利用“量子纠缠”原理，用光纤或无线的方式传送信息。

在此次实验中，人员针对“虫洞”和“量子传送”之间可能存在的联系进行了探索，并尝试了同时用广义相对论语言和量子物理学语言描述点对点信息传送的可能性。

研究人员开发了一种所谓的Sachdev–Ye–Kitaev量子系统，并使之与另外一个这样的系统发生纠缠，从而建立了一个拥有引力特性的模型。

在谷歌的Sycamore量子处理器上，研究人员观察到这个模型能够产生“虫洞”般的动力学特征。实验中，当研究人员向其中一个量子系统引入一个量子比特后，信息出现在了另外一个量子系统中。

如果我们使用量子物理学的语言来解释这一现象，那么它意味着信息从一个量子系统，通过“量子传送”的方式进入了另一个系统；而假如我们用广义相对论的语言来解释，那么这是一次穿越“虫洞”的旅行。研究人员还发现，只有用排斥性的“负能量”，才能撑开模型中的时空桥。而这就是“可穿越虫洞”的关键特性。

实验是在高保真的谷歌量子处理器上实现的。未来研究人员计划将测试转移到更复杂的量子电路上。

参考
Physicists observe wormhole dynamics using a quantum computer
https://www.caltech.edu/about/news/physicists-observe-wormhole-dynamics-using-a-quantum-computer
Traversable wormhole dynamics on a quantum processor
https://www.nature.com/articles/s41586-022-05424-3