借助量子计算机?歌?次构造“?洞”并实现穿越

近年来，以“时空穿越”为主题的影视剧层出不穷，回到主人公年少时代，都吸引着人们向往自己有一天能够穿越时空完成各自的梦想。

这些影视剧中，可能《星际穿越》中对于如何穿越和穿越原理似乎介绍的最多。电影中男主人公通过科学家们构造的高维度“虫洞”实现了穿越，甚至与另外一个时空的自己进行交流。那么到底什么是“虫洞”呢？

“虫洞”又称爱因斯坦-罗森桥，是将宇宙中两个遥远区域进行相互连接的理论时空桥梁。在1935年，爱因斯坦与他的研究助理罗森在试图拓展广义相对论到一个更高级的统一理论时，在偶然间从理论上预测了“虫洞”的存在。但是，在此之前还从未在实验中还没有真正看到或观察到它们。

为探索“虫洞”的动力学特点，美国能源部科学办公室基础物理学量子通信首席研究员，同时也是美国加州理工学院教授的玛丽亚·斯皮罗普卢所领导的研究团队与美国谷歌公司一同合作，在QCCFP项目的资助下利用谷歌公司旗下著名的量子计算机悬铃木上首次实现了“虫洞”实验，通过量子计算机构建一种“虫洞”通道进行了量子纠缠态的不同位置传送。

该实验证明了量子物理与广义相对论之间的关系，同时也表明了量子计算机在复杂物理理论研究中的优越性，相关成果以《量子计算机上实现可穿越虫洞行为》发表于《自然》杂志，并在封面进行了重点报道。

根据作者介绍，该成果的实现是在大量先前理论研究的基础上进行的。阿列克谢·基塔耶夫在2015年就曾提出一个简单的费米子的量子动力学系统，命名为Sachdev-Ye-Kitaev（SYK）模型，SYK模型表明量子动力学行为可以表现为一种全息的量子重力效应，并提出可以在量子计算机上完成量子引力实验。

2019年一项研究表明，通过量子纠缠原理构建两个SYK模型，人们应该能够进行量子信息的“虫洞”传送，产生并测量空间中可穿越的虫洞所期望的动力学特性。在广义相对论中，如果正负能量波动平衡，则没有东西可以通过虫洞。但是如果存在一种负能量冲击波就有希望将“虫洞”撑开，从而实现穿越性。

在上述理论的基础上，该联合研究团队利用谷歌的悬铃木量子计算机的9个量子比特位，量子位被可视化为波函数。在构建一个类似SYK的系统中插入了一个量子比特信息，同时就可以同一个量子处理器上观察到从另一个类似SYK的系统中出现类似的信息，说明该量子比特信息通过量子纠缠构建的“虫洞”实现了穿越。

虽然本次研究所构建的“虫洞”是一个二维条件下的，但是该过程的动力学被认为与二维反西特（AdS）时空中的量子系统“虫洞”的预期行为一致。

在Sycamore量子计算机上，在应用负能量冲击波和正能量冲击波的条件下，来测量不同SYK系统中量子信息的传递数量的不同。当使用负能量冲击波时，有更多的量子信息被传递。

换句话说，也就是量子纠缠信息在量子计算机传输时的动力学特征与量子纠缠信息穿过“虫洞”时的量子动力学特征是相同的。由于该协议对噪声的敏感性，所使用的量子处理器的高保真度是至关重要的。

不同于以往的研究工作中是利用量子计算机其高量子比特位下的高速运算能力，例如基于量子计算的分子结构预测等研究。但是，这次研究是直接利用量子计算机中的量子行为来实现量子传输“虫洞”的实验，通过量子计算机构建一个高度纠缠的系统，并直接测量了物理系统的观测数据。

而在传统计算机上，人们只能通过大量计算来“模拟”这个系统，而没有真正地创建这个实验系统。这是量子计算机的物理属性所决定的，除了强大计算能力之外还可以为研究量子动力学行为提供实验基础。领导这项研究的粒子物理學家玛莉亚·斯皮罗普卢表示，这是在一个真正的实验室试验台上对量子引力想法的测试。

这项研究成果的意义是重大的，这项工作是在实验环境中观察可穿越“虫洞”动力学的一次成功尝试。相信在未来，量子计算机将继续超越传统计算机的经典模拟的能力，并且将与物理系统规模相吻合，提供更多新角度的洞察方向，帮助科学家和人们更清晰地了解物理世界和自然运行之道。（综合整理报道）（策划/小文）