史上第一個(gè)蟲(chóng)洞 被谷歌量子計(jì)算機(jī)造出來(lái)了

　　能用來(lái)“時(shí)空穿梭”的蟲(chóng)洞，竟然被谷歌量子計(jì)算機(jī)創(chuàng)造出來(lái)了?

　　就在剛剛，全息蟲(chóng)洞研究登上Nature封面，還被Quanta Magazine稱為“有史以來(lái)創(chuàng)造出的第一個(gè)蟲(chóng)洞”。

　　此前在2019年，谷歌的研究人員就在實(shí)驗(yàn)室里搗鼓蟲(chóng)洞相關(guān)研究了。

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

　　他們?cè)谝粋�(gè)9量子位電路上，構(gòu)造了一個(gè)稀疏Sachdev-Ye-Kitaev(SYK)模型，并觀察到了蟲(chóng)洞的特征。

　　不過(guò)，先別急著幻想“空間跳躍”。

　　與我們想象中的引力蟲(chóng)洞不同，這個(gè)蟲(chóng)洞是量子蟲(chóng)洞，并不能穿越時(shí)空。

　　這次全息蟲(chóng)洞的進(jìn)展，在于成功地將量子態(tài)通過(guò)蟲(chóng)洞，由一個(gè)量子系統(tǒng)傳遞到了另一個(gè)量子系統(tǒng)。

　　那么，這個(gè)量子蟲(chóng)洞究竟是什么，它又是如何被模擬出來(lái)的?

　　2D時(shí)空“簡(jiǎn)化版”蟲(chóng)洞

　　蟲(chóng)洞是愛(ài)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(gè)通道一樣，其特性是可以在另一邊得到一個(gè)所謂的“鏡射宇宙”。

　　但隨著研究的深入，蟲(chóng)洞也被分成了很多類型。

　　人們想象中可以做時(shí)空旅行的“引力蟲(chóng)洞”，更直觀的稱呼是“時(shí)空洞”;至于量子態(tài)的量子蟲(chóng)洞，則被稱之為“微型蟲(chóng)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(chóng)洞?

　　這是因?yàn)椋瑥V義相對(duì)論和量子力學(xué)雖然各自都發(fā)展了很長(zhǎng)一段時(shí)間，但它們之間仍然有一個(gè)根本性的“沖突”——

　　量子引力。

　　這兩個(gè)學(xué)說(shuō)對(duì)量子引力的理論沒(méi)有達(dá)成一個(gè)共識(shí)，解決辦法之一就是證明全息原理(holographic principle)，即用一個(gè)低維量子系統(tǒng)來(lái)描述一個(gè)涉及引力的系統(tǒng)。

　　全息原理中一個(gè)非常熱門的實(shí)現(xiàn)就是AdS/CFT對(duì)偶(反德西特/共形場(chǎng)論對(duì)偶)，它將量子場(chǎng)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(dāng)于證明了全息原理，進(jìn)而將量子引力研究推動(dòng)一大步。

　　這次登上Nature封面的“蟲(chóng)洞”，也是通過(guò)谷歌量子計(jì)算機(jī)模擬出來(lái)的量子蟲(chóng)洞，而且還是二維時(shí)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(shí)驗(yàn)假說(shuō)，認(rèn)為一個(gè)在物理實(shí)驗(yàn)室中可以再造的量子態(tài)，能被解釋為在兩個(gè)黑洞之間的蟲(chóng)洞中穿越的信息。

　　現(xiàn)在，來(lái)自谷歌、MIT、費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室和加州理工學(xué)院的科學(xué)家們，用9個(gè)量子位、1臺(tái)量子計(jì)算機(jī)模擬出了對(duì)應(yīng)的量子動(dòng)力學(xué)。

　　在同一個(gè)量子芯片中，他們創(chuàng)建了兩個(gè)糾纏的量子系統(tǒng)，并將一個(gè)量子位放入其中一個(gè)量子系統(tǒng)。結(jié)果，他們?cè)诹硪粋�(gè)量子系統(tǒng)中觀察到了這個(gè)量子位“穿越蟲(chóng)洞”而來(lái)的信息，結(jié)果符合預(yù)期的引力性質(zhì)。

　　但對(duì)于這次谷歌量子計(jì)算機(jī)模擬出來(lái)的蟲(chóng)洞，在學(xué)術(shù)界引起了挺大的爭(zhēng)論。

　　一方認(rèn)為它對(duì)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(rèn)為，這次的蟲(chóng)洞實(shí)驗(yàn)探討的只是二維時(shí)空中的情況，即在一維空間+一維時(shí)間的情況下展開(kāi)研究。

　　△二維時(shí)空模擬蟲(chóng)洞

　　但在我們實(shí)際生活的四維時(shí)空(三維空間+一維時(shí)間)中，量子引力卻要更為復(fù)雜：

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

　　我看不出量子計(jì)算機(jī)對(duì)于(我們正在研究的)理論有多大幫助……不過(guò)如果我是錯(cuò)的，我很樂(lè)意接受糾正。

　　另一方則認(rèn)為，雖然二維時(shí)空和四維時(shí)空存在不同，但這次實(shí)驗(yàn)仍然可以獲取不少“通用”的經(jīng)驗(yàn)。

　　而且隨著這個(gè)全息蟲(chóng)洞的出現(xiàn)，還會(huì)有更多蟲(chóng)洞被模擬、被進(jìn)一步仔細(xì)研究。

　　那么，這個(gè)蟲(chóng)洞究竟是怎么被模擬出來(lái)的?

　　這個(gè)蟲(chóng)洞是如何模擬的?

　　要了解這個(gè)蟲(chóng)洞的產(chǎn)生過(guò)程，時(shí)間不得不順著研究往前推移。

　　故事至少?gòu)?013年開(kāi)始講起。

　　當(dāng)年的一次會(huì)議后，來(lái)自哈佛大學(xué)的Daniel Jafferis——蟲(chóng)洞傳送協(xié)議的首席開(kāi)發(fā)者，也是本篇Nature封面的合著者——有了一個(gè)想法：

　　通過(guò)推測(cè)的對(duì)偶性，可以經(jīng)由調(diào)整糾纏模式來(lái)設(shè)計(jì)特定的蟲(chóng)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(chóng)洞的兩個(gè)口。

　　在這種耦合作用下，操作其中一側(cè)的粒子，會(huì)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(kāi)一個(gè)蟲(chóng)洞。

　　說(shuō)干就干。Jafferis聯(lián)手當(dāng)時(shí)哈佛的研究生Ping Gao，以及訪問(wèn)學(xué)者Aron Wall開(kāi)始進(jìn)行研究。

　　直到2016年，三人最終計(jì)算得出：

　　通過(guò)耦合兩組糾纏粒子，當(dāng)在左側(cè)的那組粒子上執(zhí)行一個(gè)操作后，在對(duì)偶高緯時(shí)空?qǐng)D像中，打開(kāi)通往右側(cè)的蟲(chóng)洞口，可以推動(dòng)一個(gè)量子位從中通過(guò)。

　　他們發(fā)現(xiàn)的這個(gè)蟲(chóng)洞，是全息的、可穿越的。

　　幾個(gè)月后研究人員進(jìn)一步證明了，可穿越蟲(chóng)洞可以在一個(gè)簡(jiǎn)單的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)。

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

　　說(shuō)到這里，需要引入一個(gè)新概念：SYK(Sachdev-Ye-Kitaev)模型。

　　簡(jiǎn)單理解一下，SYK模型是一個(gè)物質(zhì)粒子的系統(tǒng)，以群體的形式相互作用，并且這個(gè)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(gè)SYK模型連接在一起，可以對(duì)Jafferis的可穿越蟲(chóng)洞的兩個(gè)口進(jìn)行編碼。

　　到了2019年，Maldacena和伙伴們找到一個(gè)具體的方法，可以將一個(gè)量子位信息，從一個(gè)四向相互作用的粒子系統(tǒng)傳送到另一個(gè)粒子系統(tǒng)。

　　在對(duì)偶時(shí)空?qǐng)D中，旋轉(zhuǎn)所有粒子的自旋方向，會(huì)轉(zhuǎn)化為一種橫掃蟲(chóng)洞的負(fù)能量沖擊波。

　　沖擊波能把量子位向前推動(dòng)，還能在可預(yù)測(cè)的時(shí)間點(diǎn)把量子位踢出蟲(chóng)洞。

　　好了，說(shuō)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(gè)實(shí)驗(yàn)粒子物理學(xué)家的研究團(tuán)隊(duì)。

　　團(tuán)隊(duì)核心領(lǐng)導(dǎo)者參與了希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)(2012年)。

　　實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)的主要工作是“如何使用量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行全息量子引力實(shí)驗(yàn)”。

　　要知道，量子計(jì)算機(jī)雖然先進(jìn)，但是仍然很容易出錯(cuò)。

　　要在上面運(yùn)行Jafferis的那個(gè)蟲(chóng)洞傳送協(xié)議，實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)必須搞出協(xié)議的超級(jí)簡(jiǎn)化版本。

　　為什么呢?

　　因?yàn)橐粋�(gè)完整的SYK模型，由幾乎無(wú)限多的粒子組成。

　　當(dāng)四向相互作用貫穿模型始終，這些粒子會(huì)以隨機(jī)強(qiáng)度相互耦合。

　　因此，想要計(jì)算完整過(guò)程，幾乎是天方夜譚。

　　為了將協(xié)議大大簡(jiǎn)化，實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)稀疏化了SYK模型，只編碼其中最強(qiáng)的四向相互作用(忽略其余的)，同時(shí)保留模型的全息性質(zhì)。

　　稀疏化的想法來(lái)自ML，即試圖通過(guò)把盡量多的權(quán)值設(shè)置為零，來(lái)限制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中信息的細(xì)節(jié)。

　　與之類比，團(tuán)隊(duì)把一個(gè)大量子系統(tǒng)看作一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)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(dòng)力學(xué)的過(guò)程

　　花費(fèi)幾年時(shí)間，團(tuán)隊(duì)終于利用上述的“聰明辦法”，創(chuàng)建了這個(gè)只需要7個(gè)量子位和數(shù)百個(gè)操作的全息蟲(chóng)洞。

　　團(tuán)隊(duì)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(chóng)洞特征的同時(shí)，盡量刪除網(wǎng)絡(luò)連接。

　　如此一來(lái)，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(duì))簡(jiǎn)單了起來(lái)，實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)開(kāi)始編寫Sycamore的量子位。

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

　　第8個(gè)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(gè)粒子減緩。

　　這個(gè)量子位的可能狀態(tài)很快就會(huì)與左邊其它粒子的狀態(tài)糾纏在一起，它的信息會(huì)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(kuò)散開(kāi)。

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

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

　　然后要做的，就是測(cè)量這些量子位的狀態(tài)，并將統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和從左側(cè)進(jìn)入的量子位的準(zhǔn)備狀態(tài)相比較，來(lái)證明量子位有沒(méi)有從左到右被傳送過(guò)來(lái)。

　　如果以一言以蔽之，那就是：

　　通過(guò)全息原理從量子信息的語(yǔ)言翻譯成時(shí)空物理學(xué)，讓一個(gè)粒子落入蟲(chóng)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(cè)呢?

　　實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)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(fù)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(huì)導(dǎo)致蟲(chóng)洞關(guān)閉)。

　　兩年時(shí)間，實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)一直在逐步改進(jìn)，降低實(shí)驗(yàn)噪音。

　　這一點(diǎn)對(duì)測(cè)量信號(hào)至關(guān)重要，因?yàn)榧词故?.5倍的噪音也會(huì)完全掩蓋信號(hào)。

　　今年1月份的深夜，在團(tuán)隊(duì)成員的電腦屏幕上，峰值出現(xiàn)了!

　　在峰值截圖旁，這名實(shí)驗(yàn)者寫下：

　　我認(rèn)為我們現(xiàn)在看到了一個(gè)蟲(chóng)洞。

　　這個(gè)峰值是“第一個(gè)在量子計(jì)算機(jī)上可以看到的量子引力的跡象”。

　　團(tuán)隊(duì)核心人物驚訝極了，清晰又明顯的峰值，讓她跟當(dāng)初看到希格斯玻色子的數(shù)據(jù)時(shí)一樣激動(dòng)不已。

　　更重要的是，雖然這個(gè)蟲(chóng)洞結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，團(tuán)隊(duì)還是探測(cè)到了蟲(chóng)洞動(dòng)力學(xué)的第二個(gè)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(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)還沒(méi)有訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)保存這個(gè)信號(hào)，因?yàn)檫@個(gè)信號(hào)讓SYK模型稀疏化了。

　　當(dāng)然，這次的實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)了另一個(gè)事實(shí)：無(wú)論SYK模型如何，尺寸纏繞這一特征都會(huì)出現(xiàn)。

　　這般如此，如此這般，耗費(fèi)數(shù)年時(shí)間，這個(gè)蟲(chóng)洞終于由谷歌量子計(jì)算機(jī)模擬了出來(lái)~

　　不得不說(shuō)，量子計(jì)算機(jī)是一種探索量子重力理論的工具。

　　這個(gè)工作，僅僅代表著使用量子計(jì)算機(jī)探究物理學(xué)的其中一個(gè)步驟。

　　盡管存在爭(zhēng)議，但是這項(xiàng)前所未有的實(shí)驗(yàn)，探索了時(shí)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(jìn)，錯(cuò)誤率會(huì)更低，芯片會(huì)更強(qiáng)，那么對(duì)引力現(xiàn)象的研究也會(huì)更加深入。

　　而引力只是量子計(jì)算機(jī)探索復(fù)雜物理理論的獨(dú)特能力的一個(gè)范例，量子計(jì)算機(jī)還能對(duì)時(shí)間晶體、量子混沌和化學(xué)進(jìn)行洞悉和觀察。

　　所以說(shuō)，遇事不決，果然是可以量子力學(xué)的啊～

　　中國(guó)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(jì)算保證未來(lái)蟲(chóng)洞穿越的你還是你，區(qū)塊鏈+量子將引領(lǐng)未來(lái)的數(shù)字世界。