作为生活在三维世界中的人们，我们似乎思考了一个问题：时空旅行是否可能？1916年，奥地利物理学家路德维希·弗拉姆首先提出“虫洞（wormhole）”的概念。1930年代，爱因斯坦和内森罗森在研究引力场方程时假设黑洞和白洞通过虫洞相连。因此，“虫洞”也被称为“爱因斯坦-罗森桥”。“虫洞”被认为是宇宙中可能存在的“捷径”，物体可以通过它瞬间传送时空。然而，科学家们一直无法证实虫洞是否客观存在。现在，科学家们创造了有史以来第一个虫洞，一篇研究论文登上了《Nature》杂志的封面。论文地址：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05424-3虫洞就像一个全息图，由存储在微型超导电路中的量子信息位或“量子比特”组成。该研究通过操纵量子位成功地通过虫洞发送了信息。这项由加州理工学院物理学教授MariaSpiropulu领导的研究使用谷歌的量子计算机Sycamore来实现一种新型的“虫洞隐形传态协议”。加州理工学院物理学家MariaSpiropulu。资料来源：量子杂志。全息原理是基于黑洞量子性质的基本原理，涉及基础物理学、量子力学和广义相对论。自1930年代以来，物理学家一直在努力调和这些不同的理论。自1990年代以来，全息原理提出了两个框架之间的数学等效性或“对偶性”。全息原理认为，广义相对论所描述的弯曲时空连续体实际上是一个伪装的粒子量子系统。时空和引力源于量子效应，就像3D全息图是从2D图案投射出来的一样。Spiropulu等人的新实验。证实我们可以控制量子计算机中的量子效应，以产生我们期望在相对论中看到的现象——虫洞。需要明确的是，与普通的全息图不同，虫洞不是我们可以看到的。虫洞的主要开发者、哈佛大学的共同作者DanielJafferis认为，虽然我们的研究成果可以被认为是一种“真实时空的细丝”传输协议，但它与我们所处的现实世界并不相同。和Sycamore计算机驻留在其中。全息原理表明这两种现实——有虫洞的现实和有量子比特的现实——是同一物理学的不同版本，但如何将这种二元性概念化仍然是一个谜。对于研究结果的基本含义，科学界的意见可能会有所不同。但至关重要的是，实验中的全息虫洞由与我们自己的宇宙不同的时空组成。该实验是否进一步证明我们居住的时空也是全息的，这是值得商榷的。“我认为宇宙中的引力确实来自一些量子比特，就像这个一维虫洞来自Sycamore芯片一样，”Jafferis说。“但我们还不能完全确定，我们仍在努力弄清楚。”背景AdS/CFT通信是在一系列问题引发的查询结束时发现的。空间的单个区域最多能容纳多少信息？如果有人问工程师数据中心可能存储多少信息，答案很可能是“这取决于其中存储芯片的数量和类型”。但令人惊讶的是，数据中心内部的内容最终并不那么重要。如果人们将越来越多的存储芯片和越来越密集的电子设备塞进数据中心，它最终会坍缩成一个黑洞，消失在事件视界之后。当雅各布·贝肯斯坦和史蒂芬·霍金等物理学家试图计算黑洞的信息量时，他们惊奇地发现它是由事件视界的面积而不是黑洞的体积给出的。看起来来自黑洞内部的信息被写在事件视界上。具体来说，一个黑洞的事件视界可以用A个微小单位的面积来布局（每个单位称为“普朗克面积”，即2.6121×10^-70平方米），至多有A个/4位信息。这个极限被称为“贝肯斯坦-霍金边界”。这一发现表明，一个区域所能容纳的最大信息量不一定与其体积成正比，而是与该区域边界的表面积成正比，暗示了量子信息与三维世界的关系在我们的日常经验中。一段有趣的关系。这种关系已被短语“Itfromqubits”概括，描述了物质（it）如何从量子信息（qubits）中出现。虽然对于普通时空来说，形式化这种关系很困难，但最近的一项研究在双曲几何的假设宇宙方面取得了重大进展，被称为“反德西特空间”。空间），其中量子引力理论的构建更为自然。在反德西特空间中，对受引力作用的空间体积的描述可以被认为是在包围该体积的边界上进行编码：空间内的每个物体在边界上都有相应的描述，反之亦然。这种信息对应被称为“全息原理”，这是受贝肯斯坦和霍金的观察启发的一般原理。AdS/CFT通信使物理学家能够将空间中的物体与表面上相互作用的特定量子比特集合联系起来。也就是说，边界的每个区域（在量子信息中）都对时空区域的内容进行编码，这样任何给定位置的物质都可以从量子信息中“构建”出来。这允许量子处理器直接与量子比特一起工作，同时提供对时空物理学的洞察力。通过仔细定义量子计算机的参数来模拟给定模型，我们可以研究黑洞，甚至可以更进一步研究两个相互连接的黑洞——一种称为“虫洞”或“爱因斯坦-罗森桥”的配置.实验室中的量子引力谷歌的研究人员计划在Sycamore处理器上实现这些想法，构建一个相当于可穿越虫洞的量子。通过全息原理从量子信息语言转化为时空物理学，该实验将一个粒子放入虫洞的一侧，并观察它从另一侧出现。在最近的一项研究中，DanielJafferis、PingGao和AronWall展示了可穿越虫洞的可能性。虫洞长期以来一直是科幻小说的主题，但“凭想象”建造的虫洞会在穿过它的粒子上坍塌。研究人员表明，负能量冲击波是一种以光速传播的时空变形，可以通过将虫洞拉伸到足以穿过它来解决这个问题。可穿越虫洞中负能量的存在类似于卡西米尔效应中的负能量，即将紧密间隔的板块推到一起的真空能量。在这两种情况下，量子力学都允许空间中特定位置的能量密度为正或负。另一方面，如果虫洞受到正能量的冲击波，则任何信息都无法通过。最简单的全息原理应用来创建虫洞需要很多很多的量子比特——事实上，需要大量的量子比特才能接近理论物理学家给出的纸笔解决方案。随着量子比特数量的减少，需要进行额外的校正，而这些校正在很大程度上至今仍不为人知。在有限数量的量子计算机上构建可穿越的虫洞需要新的思维。其中一名研究人员Zlokapa使用深度学习的想法设计了一个小型量子系统，该系统保留了引力物理学的关键方面。神经网络通过反向传播进行训练，反向传播是一种通过直接计算网络层的梯度来优化参数的方法。为了提高神经网络的性能并防止其过度拟合训练数据集，机器学习研究人员采用了大量技术，例如稀疏化，它试图通过设置尽可能多的权重来限制网络中的信息细节归零。亚历克斯·兹洛卡帕(AlexZlokapa)是麻省理工学院的一名研究生，他在本科时就加入了虫洞项目。在他的研究中，他找到了一种方法来简化虫洞协议，使其足以在谷歌的量子计算机上运行。资料来源：量子杂志。同样，为了创建虫洞，研究人员从一个大型量子系统开始并将其视为神经网络。反向传播更新系统的参数以保持引力特性，而稀疏化则减小系统的大小。他们应用机器学习来学习一个只保留一个关键引力特征的系统：使用负能量冲击波的重要性。训练数据集比较了穿过被负能量拉伸的虫洞和被正能量坍缩的虫洞的粒子的动力学。通过确保学习系统保持这种不对称性，他们获得了与虫洞动力学一致的稀疏模型。研究人员对新的量子系统进行了多项测试，看看它是否表现出超出不同能量冲击波引起的特征的引力行为。例如，虽然量子力学效应可以通过多种方式在量子系统中传递信息，但通过时空（包括通过虫洞）传播的信息必须是因果一致的。这个和其他特征在经典计算机上得到了验证，证实了量子系统的动力学与通过全息原理词典的引力解释是一致的。在量子处理器上实施可穿越虫洞作为实验是一个极其微妙的过程。跨量子位的信息传输的微观机制非常混乱：想象一下一滴墨水在水中打旋。当一个粒子落入虫洞时，它的信息会在全息图的整个量子系统中被抹去。为了让负能量冲击波发挥作用，信息的加扰必须遵循一种称为“完美尺寸缠绕”的特殊模式。粒子撞击负能量冲击波后，混沌模式得到了有效逆转：随着粒子从虫洞中出来，墨滴就好像完全取消了原本的湍流扩散，重新聚集在一起。如果在任何时间点出现一个小错误，混沌动力学将不会自行消除，粒子将无法通过虫洞。在Sycamore量子处理器上，研究人员测量了当施加负能量和正能量的冲击波时，有多少量子信息从系统的一侧传输到另一侧。他们观察到两种能量之间存在轻微的不对称，显示出可穿越虫洞的一个关键特征。由于该协议对噪声的敏感性，Sycamore处理器的低错误率对于测量信号至关重要；即使有1.5倍的噪声，信号也会被完全掩盖。展望引力只是量子计算机探索复杂物理理论的独特能力的一个例子：量子处理器可以提供对时间晶体、量子混沌和化学的洞察力。这项关于虫洞动力学的工作代表了使用量子处理器发现基础物理学的一步。随着量子设备的不断改进，更低的错误率和更大的芯片将使研究人员能够更深入地探索引力现象。与记录周围世界引力数据的实验不同，量子计算机提供了探索量子引力理论的工具。未来，量子计算机将有助于发展对超越当前模型的未来量子引力理论的理解。
