物理学家创造了一个虫洞？

本文来自微信公众号：原理 （ID：principia1687），作者：小雨，头图来自：inqnet/A. Mueller (Caltech)

时空捷径  

1935年，爱因斯坦（Albert Einstein）和他的助手罗森（Nathan Rosen）在广义相对论的框架下研究黑洞，首次提出“爱因斯坦-罗森桥”的概念。

这并非是一座普通的桥，而是连接了时空中两个不同区域的通道。上世纪50年代，物理学家惠勒（John Wheeler）将这座奇幻的桥命名为“虫洞”。

1915年，爱因斯坦提出广义相对论，将引力解释为时空弯曲的一种效应。（图/新原理研究所）

尽管广义相对论允许虫洞的存在，但物理学家还从未在宇宙中观测到虫洞。而且，与我们在科幻电影中看到的虫洞不同，根据广义相对论，虫洞是不可穿越的——这意味着物体不能通过虫洞。然而在理论上，具有负能量密度和负压的奇异物质可以打开虫洞，并使虫洞变得可穿越。

现在，在一项刚发表于《自然》杂志的最新论文中，科学家就利用一种负能量冲击波，在量子处理器“悬铃木”上创造了一个时空“虫洞”。这个新的实验并不是在量子计算机上创造出一个真实的虫洞，而是用一种先进的量子隐形传态协议打开了虫洞，并让量子信号穿过它，创造出了一种新颖的“虫洞隐形传态协议”。

ER=EPR  

让我们再次回到1935年，除了提出虫洞的论文之外，爱因斯坦和罗森还与波多尔斯基（Boris Podolsky）合作发表了一篇论文，在那篇论文中他们指出，两个相距遥远的粒子（即使是位于宇宙的两端）之间存在着某种关联：对其中一个粒子的状态进行测量，就能立即知道另一个粒子的状态。这种“鬼魅般的超距作用”被称为量子纠缠。

自那之后，虫洞和量子纠缠就被视为是完全独立的两个概念。但在2013年，马尔达西那（Juan Maldacena）和萨斯坎德（Leonard Susskind）提出了一个对偶性：ER=EPR。

在物理学中，对偶性指的是有些模型虽然看似不同，但却能被用于描述等价的物理。而ER=EPR也就意味着，虫洞（即“ER”）与纠缠（即“EPR”）实际上是等价的。这个大胆且富有诗意的想法，在引力和量子物理学之间建立了一种新的理论联系。

ER=EPR猜想认为，由广义相对论预言的虫洞与量子纠缠是等价的。如果这个猜想成立，它就可以帮助物理学家解决一个终极难题：如何用量子物理学的语言来描述引力？这个研究领域被称为量子引力。

可穿越虫洞与量子隐形传态 

到了2017年，哈佛大学的理论物理学家Daniel Jafferis（也是新论文的作者之一）与他的同事Ping Gao将ER=EPR的想法扩展到了可穿越的虫洞。他们提出了一种新的对偶性：可穿越的虫洞与量子隐形传态是等价的。

量子隐形传态指的是量子态的信息可以在两个遥远但纠缠的粒子之间发送的过程。我们知道，量子纠缠在量子计算中扮演着重要的角色。因此，量子处理器或许是探索量子隐形传态和虫洞之间的等价性的理想实验设备。

Jafferis和Gao设想了一个场景：在负斥力能的维持下，一个虫洞可以打开足够长的时间，使物体可以从虫洞的一端穿越到另一端。在这个场景下，量子处理器上的量子比特相互纠缠，隐形传态就相当于是量子比特穿越虫洞。

其实，就在Jafferis等人提出这种场景的两年前，物理学家SubirSachdev、Jinwu Ye以及Alexei Kitaev证明了一个简单的量子系统的动力学可以等同于量子引力效应，表明在量子处理器上测试这种对偶性是可能的。

这种量子系统后来以它的作者们的名字被命名为SYK模型。SYK模型是一个物质粒子系统，这些粒子以群的形式相互作用，而非通常的成对情况。在这个模型中，空间只有一维，而非三维。

进入悬铃木  

那么，所有的这些与新研究有什么关系呢？

在新研究中，为了探索虫洞与量子隐形传态之间的等价性，加州理工学院的实验粒子物理学家Maria Spiropulu与Jafferis以及他们的同事希望能创建一个具有与虫洞类似的隐形传态的正确组成的系统。

若想要真正在最先进但仍然很小且容易出错的量子计算机上，比如谷歌的“悬铃木”量子处理器上运行Jafferis和Gao在2017年提出的虫洞隐形传态协议，研究人员必须将协议简化。

为此，他们创造了一个类似于SYK模型的“婴儿”版本（更简易）作为实验的框架。在这个简化过的量子系统中，一边是量子纠缠和量子隐形传态，另一边是引力动力学，它们通过ER=EPR对偶性连接在一起。

研究人员在两边创建了一个纠缠态，每边都有7个马约拉纳费米子。在实际操作中，他们用了7个量子比特来进行编码。这相当于时间t=0时的虫洞。接着，他们让系统在时间上向后演化，来移动这个“虫洞”的“左右”两个端口的位置。

量子处理器中的可穿越虫洞的示意图。在实验中，研究人员使用与量子隐形传态相同的微观机制传输一个量子比特，就像可穿越虫洞一样。（图/ inqnet / A.Mueller）

紧接着，他们将一个量子比特选作为“参照”，让它和一个作为“探针”的量子比特以最大的限度进行纠缠，使整个电路达到9个量子比特。通过让探针量子比特与左边端口中的一个量子比特交换，相当于一个粒子进入了虫洞的一侧。

随着“虫洞”开始随时间向前演化，探针量子比特所携带的信息就会在整个量子系统中被打乱。接下来，研究团队进行了一系列相当于量子纠缠的操作。

在引力动力学的这边，研究人员施加了负能量冲击波，这相当于在时空中注入了一股负能量。负能量是一种在经典物理中并不存在，但可以存在于量子力学中的能量。它们的存在至关重要，因为虫洞本身是不稳定的，如果有任何东西试图穿过虫洞，它就会坍缩，需要负能量来使它打开足够长的时间。

虽然目前我们还无法产生或控制足够多的负能量，来在现实中开启一个可穿越的宏观虫洞。但在新的研究中，研究人员制造出的相当于负能量的冲击波，足以支撑打开一个可以让探针量子比特通过的小小“虫洞”。

而通过注入正能量冲击波，就可以将它关闭。随着“虫洞”在时间上不断向前演化，来自探针量子比特的被打乱的信息逐渐转移到系统的右边端口。就仿佛穿过虫洞的信号经历了一系列的打乱会恢复，最终让量子信息完好无损地离开了虫洞。

在悬铃木处理器上，通过测量从左边传递到右边的量子信息的数量，研究人员确认了这种信息的转移。他们发现只有负能量冲击波才能让信号通过，这表明信息是通过与可穿越虫洞相似的物理机制传递的。

未来工作  

未来，研究人员希望能将这项研究扩展到更复杂的量子电路上。虽然可能还需等待很久才能拥有真正的量子计算机，但研究团队计划，将继续在现有的量子计算机平台上进行这种类型的实验。

Spiropulu说：“量子纠缠、时空和量子引力之间的关系是基础物理学中最重要的问题之一，也是理论研究的活跃领域。我们很高兴能在量子硬件上测试这些想法方面迈出一小步，并将这些测试继续下去。”

参考来源：

https://arstechnica.com/science/2022/12/no-physicists-didnt-make-a-real-wormhole-what-they-did-was-still-pretty-cool/

https://www.caltech.edu/about/news/physicists-observe-wormhole-dynamics-using-a-quantum-computer

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

https://www.nature.com/articles/d41586-022-04201-6

https://physicsworld.com/a/quantum-teleportation-opens-a-wormhole-in-spacetime/

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

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