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    史上第一個蟲洞 被谷歌量子計算機造出來了

    2022年12月02日 14:23:00   來源:微信公眾號:量子位

      能用來“時空穿梭”的蟲洞,竟然被谷歌量子計算機創(chuàng)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(chuàng)造出的第一個蟲洞”。

      此前在2019年,谷歌的研究人員就在實驗室里搗鼓蟲洞相關(guān)研究了。

      沒想到現(xiàn)在,科學(xué)家們不僅創(chuàng)造出了蟲洞,還觀察到了信息在蟲洞之間傳遞的現(xiàn)象——

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

      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,并不能穿越時空。

      這次全息蟲洞的進展,在于成功地將量子態(tài)通過蟲洞,由一個量子系統(tǒng)傳遞到了另一個量子系統(tǒng)。

      那么,這個量子蟲洞究竟是什么,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(nèi)森·羅森提出的一種理論,被假設(shè)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”;至于量子態(tài)的量子蟲洞,則被稱之為“微型蟲洞”,兩者有很大的差異。

      所以,為什么科學(xué)家們要這么執(zhí)著于研究量子蟲洞?

      這是因為,廣義相對論和量子力學(xué)雖然各自都發(fā)展了很長一段時間,但它們之間仍然有一個根本性的“沖突”——

      量子引力。

      這兩個學(xué)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(tǒng)來描述一個涉及引力的系統(tǒng)。

      全息原理中一個非常熱門的實現(xiàn)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(lián)系在了一起。

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

      這次登上Nature封面的“蟲洞”,也是通過谷歌量子計算機模擬出來的量子蟲洞,而且還是二維時空的。

      基于AdS/CFT這套理論,2019年谷歌的物理學(xué)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(tài),能被解釋為在兩個黑洞之間的蟲洞中穿越的信息。

      現(xiàn)在,來自谷歌、MIT、費米實驗室和加州理工學(xué)院的科學(xué)家們,用9個量子位、1臺量子計算機模擬出了對應(yīng)的量子動力學(xué)。

      在同一個量子芯片中,他們創(chuàng)建了兩個糾纏的量子系統(tǒng),并將一個量子位放入其中一個量子系統(tǒng)。結(jié)果,他們在另一個量子系統(tǒng)中觀察到了這個量子位“穿越蟲洞”而來的信息,結(jié)果符合預(yù)期的引力性質(zhì)。

      但對于這次谷歌量子計算機模擬出來的蟲洞,在學(xué)術(shù)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(xué)量子引力理論學(xué)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,量子引力卻要更為復(fù)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于(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(jīng)驗。

      而且隨著這個全息蟲洞的出現(xiàn),還會有更多蟲洞被模擬、被進一步仔細研究。

      那么,這個蟲洞究竟是怎么被模擬出來的?

      這個蟲洞是如何模擬的?

      要了解這個蟲洞的產(chǎn)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。

      當年的一次會議后,來自哈佛大學(xué)的Daniel Jafferis——蟲洞傳送協(xié)議的首席開發(fā)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(jīng)由調(diào)整糾纏模式來設(shè)計特定的蟲洞。

      △Daniel Jafferis

      具體而言,可以設(shè)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(cè)的粒子,會引起另一側(cè)粒子的變化。

      這樣就有可能在兩側(cè)粒子之間撐開一個蟲洞。

      說干就干。Jafferis聯(lián)手當時哈佛的研究生Ping Gao,以及訪問學(xué)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(cè)的那組粒子上執(zhí)行一個操作后,在對偶高緯時空圖像中,打開通往右側(cè)的蟲洞口,可以推動一個量子位從中通過。

      他們發(fā)現(xiàn)的這個蟲洞,是全息的、可穿越的。

      幾個月后研究人員進一步證明了,可穿越蟲洞可以在一個簡單的環(huán)境中實現(xiàn)。

      而量子系統(tǒng)就是一個足夠簡單、又可以嘗試制造的“簡單環(huán)境”。

      說到這里,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(zhì)粒子的系統(tǒng),以群體的形式相互作用,并且這個模型在2015年被發(fā)現(xiàn)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和伙伴們找到一個具體的方法,可以將一個量子位信息,從一個四向相互作用的粒子系統(tǒng)傳送到另一個粒子系統(tǒng)。

      在對偶時空圖中,旋轉(zhuǎn)所有粒子的自旋方向,會轉(zhuǎn)化為一種橫掃蟲洞的負能量沖擊波。

      沖擊波能把量子位向前推動,還能在可預(yù)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本人和許多谷歌量子人工智能(Google Quantum AI)的研究人員,一同加入了一個實驗粒子物理學(xué)家的研究團隊。

      團隊核心領(lǐng)導(dǎo)者參與了希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)(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(xié)議,實驗團隊必須搞出協(xié)議的超級簡化版本。

      為什么呢?

      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(xié)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(忽略其余的),同時保留模型的全息性質(zhì)。

      稀疏化的想法來自ML,即試圖通過把盡量多的權(quán)值設(shè)置為零,來限制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中信息的細節(jié)。

      與之類比,團隊把一個大量子系統(tǒng)看作一個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),通過反向傳播更新系統(tǒng)的參數(shù),一是保持重力特性,二是縮減系統(tǒng)的大小。

      △學(xué)習(xí)制造稀疏量子系統(tǒng)捕捉引力動力學(xué)的過程

      花費幾年時間,團隊終于利用上述的“聰明辦法”,創(chuàng)建了這個只需要7個量子位和數(shù)百個操作的全息蟲洞。

      團隊成員把SYK模型的粒子相互作用,映射到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)元之間的連接上,并訓(xùn)練系統(tǒng)在保留蟲洞特征的同時,盡量刪除網(wǎng)絡(luò)連接。

      如此一來,四向相互作用的次數(shù),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(zhì)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(tài)0和1的概率組合中,然后與左邊SYK模型中的一個粒子減緩。

      這個量子位的可能狀態(tài)很快就會與左邊其它粒子的狀態(tài)糾纏在一起,它的信息會很均勻地散布在他們中間,就像一滴墨水滴在水里然后均勻擴散開。

      緊接著,旋轉(zhuǎn)所有的量子位的自旋方向,與負能量沖擊波橫掃蟲洞相對,這會導(dǎo)致從左側(cè)SYK模型進入的量子位,轉(zhuǎn)移到右側(cè)SYK模型。

      它們會重新聚焦在右邊的一個粒子(左邊粒子被交換后的糾纏對象)所在的位置。

      然后要做的,就是測量這些量子位的狀態(tài),并將統(tǒng)計數(shù)據(jù)和從左側(cè)進入的量子位的準備狀態(tài)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信息的語言翻譯成時空物理學(xué),讓一個粒子落入蟲洞的一邊,并觀察它在另一邊是否出現(xiàn)。

      方法已經(jīng)明了,具體要怎么觀測呢?

      實驗團隊在上述數(shù)據(jù)中,尋找代表兩種情況的峰值。

      如果能夠看到峰值,就意味著雙負能量沖擊波的量子位旋轉(zhuǎn),允許量子位傳送;而雙正能量沖擊波的相反方向旋轉(zhuǎn),不允許量子位傳送(而且還會導(dǎo)致蟲洞關(guān)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(guān)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,在團隊成員的電腦屏幕上,峰值出現(xiàn)了!

      在峰值截圖旁,這名實驗者寫下:

      我認為我們現(xiàn)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數(shù)據(jù)時一樣激動不已。

      更重要的是,雖然這個蟲洞結(jié)構(gòu)簡單,團隊還是探測到了蟲洞動力學(xué)的第二個特征,即“尺寸纏繞”(size-winding)。

      這是信息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(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(fā)現(xiàn)了另一個事實:無論SYK模型如何,尺寸纏繞這一特征都會出現(xiàn)。

      這般如此,如此這般,耗費數(shù)年時間,這個蟲洞終于由谷歌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(xué)的其中一個步驟。

      盡管存在爭議,但是這項前所未有的實驗,探索了時空以某種方式從量子信息中產(chǎn)生的可能性。

      隨著量子裝置的不斷改進,錯誤率會更低,芯片會更強,那么對引力現(xiàn)象的研究也會更加深入。

      而引力只是量子計算機探索復(fù)雜物理理論的獨特能力的一個范例,量子計算機還能對時間晶體、量子混沌和化學(xué)進行洞悉和觀察。

      所以說,遇事不決,果然是可以量子力學(xué)的啊~

      中國第一本區(qū)塊鏈教材《區(qū)塊鏈技術(shù)與應(yīng)用》作者辜盧密表示:區(qū)塊鏈+量子計算保證未來蟲洞穿越的你還是你,區(qū)塊鏈+量子將引領(lǐng)未來的數(shù)字世界。

      文章內(nèi)容僅供閱讀,不構(gòu)成投資建議,請謹慎對待。投資者據(jù)此操作,風(fēng)險自擔(dān)。

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