物理学家创造出了一个非常小的黑洞

编译 苦山

2022年，一组研究人员宣布，他们进行了一项涉及现代物理学中大部分神秘理论的实验，在量子计算机中模拟出了一对黑洞，并通过一段被称为虫洞的时空捷径在它们之间传送了一条信息。

物理学家们称，这项成就是帮助理解引力和量子力学之间关系的又一个小小进展——引力塑造了宇宙，而量子力学主宰着粒子的亚原子领域。

“这很重要，因为从构造和结构来看，我们得到的是一个婴儿虫洞，”加州理工学院的物理学家玛利亚•斯皮罗普鲁（Maria Spiropulu）说，她同时也是指挥这项研究的基础物理量子通信通道项目组的负责人，“我们希望，我们可以一步一步地制造幼儿虫洞和成年虫洞。”

他们的报告发表在《自然》杂志上，报告中，研究人员用谨慎的措辞对研究结果做了描述：“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。”

斯皮罗普鲁博士和她的同事们创造并运用的虫洞隧道所穿越的并非真实的物理空间，而是一个“层展”的二维空间。这些“黑洞”也并非能够吞噬计算机的真实黑洞，而是量子计算机中的一行行代码。严格来说，他们得出的结果只适用于一个简化的“玩具模型宇宙”——确切地说，这是一个类似于全息图的模型，由位于时空边缘的量子场来决定模型内部会发生什么，有点像是汤罐头上的标签可以描述罐头里的内容那样。

有一点需要讲清楚：这个实验的结果并不意味着我们很快就能拥有（甚至永远都不可能拥有）像电影《超时空接触》（Contact）中的朱迪•福斯特（Jodie Foster）或者《星际穿越》（Interstellar）中的马修•麦康纳（Matthew McConaughey）那样可用来漫游银河系的宇宙地铁。

“我猜最关键的问题，或许也是个很难回答的问题，是这样的：我们是否能说从模拟中得到的是一个真正的黑洞？”哈佛大学物理学教授丹尼尔•贾弗里斯（Daniel Jafferis）说，“我比较喜欢‘层展黑洞’这个说法。”

他补充道：“我们只是利用量子计算机来找出当你处于这种引力情况下时会是什么模样和感受。”他和麻省理工学院的博士生亚历山大•兹洛卡帕（Alexander Zlokapa）是这篇论文的主要作者。

物理学家们对这篇论文既感兴趣又很谨慎，他们担心公众和媒体会错误地认为研究人员已经创造出了真实的物理虫洞。

“我想让《纽约时报》的读者明白的最重要的事就是下面这点，”得克萨斯大学奥斯汀分校的量子计算专家斯科特•阿伦森（Scott Aaronson）在一封电子邮件中写道，“如果这个实验制造了一个真实的、物理层面的虫洞，那么我们就有充分的理由论称，每当你用纸和笔画出这东西时，你也可以制造一个真实的、物理层面的虫洞。”

麻省理工学院的物理学家丹尼尔•哈洛（Daniel Harlow）没有参与这项实验，他指出该实验的基础是一个非常简单且不切实际的量子引力模型，用它来研究简直就和用纸笔来研究没什么区别。

“所以要我说，这项实验并没有教会我们任何关于量子引力的新知识，”哈洛博士在一封电子邮件中写道，“但另一方面，我认为这是一项令人兴奋的技术成就，因为如果我们连目前这样都做不到（在这项实验之前我们确实没做到过），那么就绝对不可能模拟更有趣的量子引力理论。”他补充说，我们可能需要10到15年的时间才能开发出足够大的计算机来做这件事。

斯坦福大学的物理学家伦纳德•萨斯坎德（Leonard Susskind）并未加入研究团队，他同意哈洛的观点。“他们正在意识到，他们有能力做成这个实验，”他说，“这项研究中真正有趣的事情是证明了利用广义相对论分析纯粹的量子现象的可能性，谁知道这能领我们走向何方呢？”

1934年，阿尔伯特•爱因斯坦在匹兹堡的卡内基技术学院（现为卡内基梅隆大学）

爱因斯坦的两面

1935年，物理学的词汇表中加入了“虫洞”一词，当时它是阿尔伯特•爱因斯坦广义相对论中最为怪异的几个预言之一。广义相对论描述了物质和能量如何扭曲空间，来创造出我们称之为引力的东西。同年，爱因斯坦和他的同事纳森•罗森（Nathan Rosen）在一篇论文中指出，世界上可能存在穿越时空、连接成对黑洞的捷径。物理学家约翰•惠勒（John Wheeler）后来将这些连接通路称为“虫洞”。

起初人们觉得，虫洞似乎没有实际的作用。理论认为，任何东西进入它们的瞬间，它们就会砰的一声关闭。它们从未在科幻小说之外被观察到过。

也是在1935年，上述发表的一个月前，爱因斯坦、罗森和鲍里斯•波多尔斯基（Boris Podolsky）取得了另一项突破，他们认为这项突破将令量子力学的不确定性受到质疑。他们指出，量子规则允许爱因斯坦所说的“幽灵般的超距作用”的发生。对一对粒子中的一个做测量将决定另一个粒子的测量结果，即使两个粒子相距光年。爱因斯坦认为这个预测是荒谬的，但如今物理学家们称之为“纠缠”，并每天都在实验室里利用这种特性。

直到几年前，这种量子把戏还被认为与引力无关。因此，物理学家们无法运用某种“量子引力”理论去解释，在宇宙大爆炸或黑洞内部的内外空间碰撞时发生了什么。

但在2013年，普林斯顿高等研究院的理论物理学家胡安•马尔达塞纳（Juan Maldacena）和萨斯坎德博士提出，这两种现象——幽灵般的超距作用和虫洞——实际上是同一枚硬币的两面，只是各自用了不同但互补的数学语言来描述。

按照这种逻辑，这些幽灵般的纠缠粒子由同样神秘的虫洞连接起来。我们可以用量子力学来研究引力，反之亦然。事实证明，可以在爱因斯坦的引力方程中找到和描述量子现象的方程式类似的东西。

“要使用哪种描述主要取决于你的偏好，因为它们给出的答案是完全一样的，”贾弗里斯博士说，“这是一个不可思议的发现。”

在量子计算机中，物理学家使用一种称为“门”的操作线路，在代表两个黑洞的量子比特之间的虚拟空间中打开一条捷径，并在它们之间发送信息

逃生舱口

最近这次虫洞实验试图利用广义相对论中的数学来检验量子魔法的其中一个方面，也就是所谓的量子隐形传态，以考察是否能借此揭示物理学或引力的新特性。

在量子隐形传态中，物理学家使用一系列量子操作，在自己不知道信息内容的前提下，将信息发送到相距数米或数千米、纠缠成对的两个粒子之间。这项技术有望成为下一代不可破解的“量子互联网”的核心。

物理学家喜欢把隐形传态的过程比作两杯茶。先朝一杯茶里放一块方糖，它会即刻溶解——然后，量子钟滴答一声，方糖就会完整地出现在另一个茶杯里。

在萨斯坎德博士、贾弗里斯博士、麻省理工学院的高苹和剑桥大学的理论物理学家阿伦•沃尔（Aron Wall）分别发表了两篇彼此独立的论文之后，这个实验变得不再是空中楼阁。毕竟，他们提出了一种可以穿越虫洞的方法。高博士和他的合作者说，我们所需要的是在虫洞出口末端设置一小剂负能量，以支撑“舱口”足够长的时间，让信息逃脱。

在经典物理学中，没有负能量这回事。但在量子理论中，能量可以是负的，它会产生反引力效应。例如，所谓的虚粒子利用从真空中借来的能量瞬息出现又瞬息消失，它可以落入黑洞，以能量的形式向大自然欠债，而黑洞必须偿还。斯蒂芬•霍金在1974年计算出，这种缓慢的泄漏会导致黑洞失去能量并收缩。

当斯皮罗普鲁博士提出尝试在量子计算机上重现这种虫洞魔法时，她在能源部的同事和赞助商“都认为我彻底疯了，”她回忆道，“但贾弗里斯说，就这么干吧。”

能证明研究人员所记录下的的确是“类虫洞”行为的线索之一是，信号是按照它们进入虫洞的顺序从虫洞另一端涌现的

驾驭不确定性

在普通计算机中（包括你口袋里的手机），计算的货币是比特，它可以是1或0。量子计算机则基于量子比特运行，量子比特可以是0或1，也可以两者皆是，直到被测量或观察。这使得量子计算机在某些特定的任务中具有超强的能力，比如分解大数和（也许有一天）破解加密代码。本质上，量子计算机的原理是同时运行程序的所有可能变化，以得出一个结论。

斯皮罗普鲁博士说：“我们让不确定性成为我们的盟友并拥抱它。”

为了充分发挥潜力，量子计算机需要数千个工作的量子比特和一百多万个“纠错”的量子比特。位于加州威尼斯的谷歌量子人工智能实验室的负责人哈特穆特•奈文（Hartmut Neven）表示，谷歌希望在2030年前实现这一目标。奈文也是斯皮罗普鲁博士团队的成员。

加州理工学院的物理学家、诺贝尔奖获得者理查德•费曼（Richard Feynman）曾预言，量子力量的最终用途可能是研究量子物理本身，就像在这项虫洞实验中一样。

“我很高兴看到研究人员能够实现费曼的梦想。”奈文博士说。

虫洞实验是在谷歌的梧桐2号计算机（Sycamore 2）的一个版本上进行的，该计算机有72个量子比特，研究团队只用了其中9个量子比特来限制系统中的干扰和噪声，9个中有2个是参考量子比特，在实验中扮演着输入和输出的角色。

另外7个量子比特包含两份代码，描述的是一个名为SYK的全息宇宙的简单模型的“稀疏”版本，该模型以它的三位创造者命名：哈佛大学的苏比尔•萨奇德夫（Subir Sachdev）、密西西比州立大学的叶锦武和加州理工学院的阿列克谢•基塔耶夫（Alexei Kitaev）。两个SYK模型都被装进了同样的7个量子比特中。在实验中，这些SYK系统扮演了两个黑洞的角色，一个将信息扰乱为无意义——相当于在量子层面吞下了它——另一个则将信息重新弹出。

费米实验室量子研究所所长，也是这篇发表于《自然》期刊的论文作者之一的约瑟夫•莱肯（Joseph Lykken）表示：“我们往它里面扔了一个量子比特。”他指的是那条输入的信息——一系列由1和0构成的量子模拟信息。这个量子比特与SYK量子比特的第一个副本相互作用，它的意义被扰乱成随机的噪声，然后消失。

随即，在量子钟的滴答声中，两个SYK系统被连接起来，负能量的冲击从第一个系统传到第二个系统，短暂地将后者撑开。

随后，信号以未被扰乱的本来形态重新出现——它出现在第九个也是最后一个量子比特中，这个量子比特被连接到了代表虫洞另一端的第二个SYK系统上。

莱肯博士说，能证明研究人员所记录下的的确是“类虫洞”行为的线索之一是，信号是按照它们进入虫洞的顺序从虫洞另一端涌现的。

在与贾弗里斯博士的论文一起发表于《自然》期刊的另一篇文章中，萨斯坎德博士和斯坦福大学的物理学家亚当•布朗（Adam Brown）指出，这些结果可能会为普通量子力学中一些仍然神秘的方面提供线索。例如，当方糖在第一个茶杯中溶解后，它为什么会以原本的形态出现在另一个茶杯中呢？

“令人惊讶的不是这条信息以某种形式传递了出去，而是它传递出去时没有被扰乱。”两位作者如是写道。

在一次采访中，莱肯博士他们补充说，最简单的解释是，信息通过了一个虫洞，尽管是一个“非常短”的虫洞。在量子力学中，自然界可想象的最短长度是10-33厘米，也就是所谓的普朗克长度。根据莱肯博士的计算，他们的虫洞可能只有3个普朗克长度。

“这是你能想象到的最小、最寒酸的虫洞，”他说，“但这真的很酷，因为现在我们触及的显然是量子引力的领域了。”

资料来源 The New York Times