史上第一個蟲洞,被Google量子計算機造出來了 | Nature封面

衡宇 蕭簫 發自 凹非寺

能用來「時空穿梭」的蟲洞,竟然被Google量子計算機創造出來了?

就在剛剛,全息蟲洞研究登上Nature封面,還被Quanta Magazine稱為「有史以來創造出的第一個蟲洞」。

此前在2019年,Google的研究人員就在實驗室裡搗鼓蟲洞相關研究了。

沒想到現在,科學家們不僅創造出了蟲洞,還觀察到了資訊在蟲洞之間傳遞的現象——

他們在一個9量子位電路上,構造了一個稀疏Sachdev-Ye-Kitaev(SYK)模型,並觀察到了蟲洞的特徵。

不過,先別急著幻想「空間跳躍」。

與我們想象中的引力蟲洞不同,這個蟲洞是量子蟲洞,並不能穿越時空。

這次全息蟲洞的進展,在於成功地將量子態通過蟲洞,由一個量子系統傳遞到了另一個量子系統。

那麼,這個量子蟲洞究竟是什麼,它又是如何被模擬出來的?

2D時空「簡化版」蟲洞

蟲洞是愛因斯坦和內森·羅森提出的一種理論,被假設為黑洞和白洞的連接。

它就像是一個通道一樣,其特性是可以在另一邊得到一個所謂的「鏡射宇宙」。

但隨著研究的深入,蟲洞也被分成了很多類型。

人們想象中可以做時空旅行的「引力蟲洞」,更直觀的稱呼是「時空洞」;至於量子態的量子蟲洞,則被稱之為「微型蟲洞」,兩者有很大的差異

所以,為什麼科學家們要這麼執著於研究量子蟲洞?

這是因為,廣義相對論和量子力學雖然各自都發展了很長一段時間,但它們之間仍然有一個根本性的「衝突」——

量子引力。

這兩個學說對量子引力的理論沒有達成一個共識,解決辦法之一就是證明全息原理(holographic principle),即用一個低維量子系統來描述一個涉及引力的系統。

全息原理中一個非常熱門的實現就是AdS/CFT對偶(反德西特/共形場論對偶),它將量子場論和量子引力兩種理論聯繫在了一起。

如果能想辦法證明AdS/CFT理論猜想,那麼就相當於證明了全息原理,進而將量子引力研究推動一大步。

這次登上Nature封面的「蟲洞」,也是通過Google量子計算機模擬出來的量子蟲洞,而且還是二維時空的。

出來的量子蟲洞,而且還是二維時空的

基於AdS/CFT這套理論,2019年Google的物理學家們提出了一種實驗假說,認為一個在物理實驗室中可以再造的量子態,能被解釋為在兩個黑洞之間的蟲洞中穿越的資訊。

現在,來自Google、MIT、費米實驗室和加州理工學院的科學家們,用9個量子位、1臺量子計算機模擬出了對應的量子動力學。

在同一個量子晶片中,他們創建了兩個糾纏的量子系統,並將一個量子位放入其中一個量子系統。結果,他們在另一個量子系統中觀察到了這個量子位「穿越蟲洞」而來的資訊,結果符合預期的引力性質。

但對於這次Google量子計算機模擬出來的蟲洞,在學術界引起了挺大的爭論。

一方認為它對正在研究的理論幫助不大:

荷蘭拉德堡德大學量子引力理論學家Renate Loll認為,這次的蟲洞實驗探討的只是二維時空中的情況,即在一維空間+一維時間的情況下展開研究。

二維時空模擬蟲洞

但在我們實際生活的四維時空(三維空間+一維時間)中,量子引力卻要更為複雜:

做這種實驗,容易讓人們陷入2D玩具模型(一種刻意簡化的模型)的研究中,反而忽視了四維時空和二維時空中量子引力的差異。

我看不出量子計算機對於(我們正在研究的)理論有多大幫助……不過如果我是錯的,我很樂意接受糾正。

另一方則認為,雖然二維時空和四維時空存在不同,但這次實驗仍然可以獲取不少「通用」的經驗。

而且隨著這個全息蟲洞的出現,還會有更多蟲洞被模擬、被進一步仔細研究。

那麼,這個蟲洞究竟是怎麼被模擬出來的?

這個蟲洞是如何模擬的?

要了解這個蟲洞的產生過程,時間不得不順著研究往前推移。

故事至少從2013年開始講起。

當年的一次會議後,來自哈佛大學的Daniel Jafferis——蟲洞傳送協議的首席開發者,也是本篇Nature封面的合著者——有了一個想法:

通過推測的對偶性,可以經由調整糾纏模式來設計特定的蟲洞。

Daniel Jafferis

具體而言,可以設想在兩組糾纏粒子之間,穿上一根電線或其它任何的物理連接,讓粒子們編碼出蟲洞的兩個口。

在這種耦合作用下,操作其中一側的粒子,會引起另一側粒子的變化。

這樣就有可能在兩側粒子之間撐開一個蟲洞

說幹就幹。Jafferis聯手當時哈佛的研究生Ping Gao,以及訪問學者Aron Wall開始進行研究。

直到2016年,三人最終計算得出:

通過耦合兩組糾纏粒子,當在左側的那組粒子上執行一個操作後,在對偶高緯時空圖像中,打開通往右側的蟲洞口,可以推動一個量子位從中通過。

他們發現的這個蟲洞,是全息的、可穿越的

幾個月後研究人員進一步證明了,可穿越蟲洞可以在一個簡單的環境中實現。

而量子系統就是一個足夠簡單、又可以嘗試製造的「簡單環境」。

說到這裡,需要引入一個新概念:SYK(Sachdev-Ye-Kitaev)模型。

簡單理解一下,SYK模型是一個物質粒子的系統,以群體的形式相互作用,並且這個模型在2015年被發現是全息的。

量子引力理論家Juan Maldacena和合作者提出,兩個SYK模型連接在一起,可以對Jafferis的可穿越蟲洞的兩個口進行編碼。

到了2019年,Maldacena和夥伴們找到一個具體的方法,可以將一個量子位資訊,從一個四向相互作用的粒子系統傳送到另一個粒子系統

在對偶時空圖中,旋轉所有粒子的自旋方向,會轉化為一種橫掃蟲洞的負能量衝擊波。

衝擊波能把量子位向前推動,還能在可預測的時間點把量子位踢出蟲洞

好了,說回Jafferis和他的研究。

2018年,Jafferis本人和許多Google量子人工智慧(Google Quantum AI)的研究人員,一同加入了一個實驗粒子物理學家的研究團隊。

團隊核心領導者參與了希格斯玻色子的發現(2012年)。

實驗團隊的主要工作是「如何使用量子計算機進行全息量子引力實驗」。

要知道,量子計算機雖然先進,但是仍然很容易出錯。

要在上面運行Jafferis的那個蟲洞傳送協議,實驗團隊必須搞出協議的超級簡化版本

為什麼呢?

因為一個完整的SYK模型,由幾乎無限多的粒子組成。

當四向相互作用貫穿模型始終,這些粒子會以隨機強度相互耦合。

因此,想要計算完整過程,幾乎是天方夜譚。

為了將協議大大簡化,實驗團隊稀疏化了SYK模型,只編碼其中最強的四向相互作用(忽略其餘的),同時保留模型的全息性質。

稀疏化的想法來自ML,即試圖通過把儘量多的權值設置為零,來限制神經網路中資訊的細節。

與之類比,團隊把一個大量子系統看作一個神經網路,通過反向傳播更新系統的參數,一是保持重力特性,二是縮減系統的大小。

學習製造稀疏量子系統捕捉引力動力學的過程

花費幾年時間,團隊終於利用上述的「聰明辦法」,創建了這個只需要7個量子位和數百個操作的全息蟲洞。

團隊成員把SYK模型的粒子相互作用,對映到神經網路的神經元之間的連接上,並訓練系統在保留蟲洞特徵的同時,儘量刪除網路連接。

如此一來,四向相互作用的次數,從幾百次驟減到5次

事情突然變得(相對)簡單了起來,實驗團隊開始編寫Sycamore的量子位。

7個量子位編碼14個(左、右SYK模型各7個)物質粒子,左邊的每個粒子都和右邊的一個粒子糾纏。

第8個量子位處在狀態0和1的概率組合中,然後與左邊SYK模型中的一個粒子減緩。

這個量子位的可能狀態很快就會與左邊其它粒子的狀態糾纏在一起,它的資訊會很均勻地散佈在他們中間,就像一滴墨水滴在水裡然後均勻擴散開。

緊接著,旋轉所有的量子位的自旋方向,與負能量衝擊波橫掃蟲洞相對,這會導致從左側SYK模型進入的量子位,轉移到右側SYK模型。

它們會重新聚焦在右邊的一個粒子(左邊粒子被交換後的糾纏對象)所在的位置。

然後要做的,就是測量這些量子位的狀態,並將統計資料和從左側進入的量子位的準備狀態相比較,來證明量子位有沒有從左到右被傳送過來。

如果以一言以蔽之,那就是:

通過全息原理從量子資訊的語言翻譯成時空物理學,讓一個粒子落入蟲洞的一邊,並觀察它在另一邊是否出現。

方法已經明瞭,具體要怎麼觀測呢?

實驗團隊在上述資料中,尋找代表兩種情況的峰值

如果能夠看到峰值,就意味著雙負能量衝擊波的量子位旋轉,允許量子位傳送;而雙正能量衝擊波的相反方向旋轉,不允許量子位傳送(而且還會導致蟲洞關閉)。

兩年時間,實驗團隊一直在逐步改進,降低實驗噪音。

這一點對測量信號至關重要,因為即使是1.5倍的噪音也會完全掩蓋信號

今年1月份的深夜,在團隊成員的電腦螢幕上,峰值出現了!

在峰值截圖旁,這名實驗者寫下

在峰值截圖旁,這名實驗者寫下:

我認為我們現在看到了一個蟲洞。

這個峰值是「第一個在量子計算機上可以看到的量子引力的跡象」。

團隊核心人物驚訝極了,清晰又明顯的峰值,讓她跟當初看到希格斯玻色子的資料時一樣激動不已。

更重要的是,雖然這個蟲洞結構簡單,團隊還是探測到了蟲洞動力學的第二個特徵,即「尺寸纏繞」(size-winding)。

這是資訊在量子位之間傳播和不傳播的微妙模式

目前,實驗團隊還沒有訓練神經網路來保存這個信號,因為這個信號讓SYK模型稀疏化了。

當然,這次的實驗也發現了另一個事實:無論SYK模型如何,尺寸纏繞這一特徵都會出現。

這般如此,如此這般,耗費數年時間,這個蟲洞終於由Google量子計算機模擬了出來~

不得不說,量子計算機是一種探索量子重力理論的工具。

這個工作,僅僅代表著使用量子計算機探究物理學的其中一個步驟。

儘管存在爭議,但是這項前所未有的實驗,探索了時空以某種方式從量子資訊中產生的可能性。

隨著量子裝置的不斷改進,錯誤率會更低,晶片會更強,那麼對引力現象的研究也會更加深入。

而引力只是量子計算機探索複雜物理理論的獨特能力的一個範例,量子計算機還能對時間晶體、量子混沌和化學進行洞悉和觀察。

所以說,遇事不決,果然是可以量子力學的啊~

論文地址

論文地址:

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05424-3

參考連結:

[1]https://ai.googleblog.com/2022/11/making-traversable-wormhole-with.html

[2]https://www.quantamagazine.org/physicists-create-a-wormhole-using-a-quantum-computer-20221130/

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