科学家在量子计算机上模拟了微型虫洞

这并非时空的真实撕裂,但仍然很酷。
traversable wormhole illustration
inqnet/A. Mueller (加州理工学院)

物理学家、数学家、天文学家,甚至 电影制作人 长久以来都对 虫洞 的概念着迷:一种不可预测且常常不稳定的现象,被认为可以在时空中创造隧道(并在两个遥远地点之间形成捷径)。另一种理论认为,如果以正确的方式连接两个 黑洞,就可以创造一个虫洞。

研究虫洞就像在不知道最终图像是什么样的情况下,拼凑一个不完整的拼图。你可以根据周围已完成的图像大致推断出空白处应该放什么,但无法确定。这是因为虫洞是否真实存在尚未得到确凿的证明。然而,物理学中一些基本方程和理论的解 表明 这种实体是存在的。

为了基于迄今为止的推断来理解这种宇宙幽灵的特性,来自加州理工学院、哈佛大学、麻省理工学院、费米实验室和谷歌的研究人员在同一个处理器上创建了一个“微型虫洞”效应, 存在于两个量子系统之间。更重要的是,该团队能够通过它发送信号。

Quanta 报道,这使得加州理工学院-谷歌团队在试图建立虫洞传送的 IBM-Quantinuum 团队面前取得了一点优势。

虽然他们创造的并非时空结构的真实裂缝,但该系统确实模仿了已知的虫洞动力学。在物理学家通常考虑的性质方面,例如正负能量、引力以及粒子行为,计算机模拟在外观和运作上都像一个微型虫洞。该团队在一次新闻发布会上表示,这个模型是一种在实验室环境中研究宇宙基本问题的方法。一篇描述该系统的论文本周发表在《 Nature 》杂志上。

加州理工学院物理学教授 Maria Spiropulu 在一份 新闻稿 中表示:“我们找到了一个量子系统,它展现了引力虫洞的关键特性,而且足够小,可以在今天的量子硬件上实现。”“这项工作是朝着利用量子计算机检验量子引力物理学的大型计划迈出的一步。”

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量子引力是一系列理论,旨在解释支配引力(描述物质和能量如何行为)的规则与量子力学(描述原子和粒子如何行为)的规则如何契合。研究人员尚未找到描述我们宇宙中量子引力的精确方程。

尽管科学家们围绕引力与虫洞之间的关系已经思考了大约 100 年,但直到 2013 年,纠缠(一种量子物理现象)才被认为与这种联系有关。而在 2017 年,另一组科学家提出,可穿越虫洞的工作方式有点像量子传送(信息利用纠缠原理跨越空间传输)。

在最近一次实验中,该实验在谷歌的 Sycamore 量子处理器上仅使用了 9 个量子比特(经典计算中二进制位的量子等价物),团队利用机器学习设置了一个简化的虫洞系统,“该系统可以编码在当前的量子架构中,并保留引力特性,”Spiropulu 解释道。在实验中,他们展示了信息(以量子比特的形式)可以被发送到一个系统,并在另一个系统中以正确的顺序出现——这是一种类似虫洞的行为。

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那么,研究人员是如何在盒子里创建一个具有自身特殊规则和几何形状的小宇宙呢?据谷歌称,不同物理理论之间的一种特殊对应关系(技术上称为 AdS/CFT)使得科学家们能够构建一个类似全息宇宙,在那里他们可以“将空间中的物体与表面上特定的相互作用量子比特集合联系起来”,研究人员在一篇 博文 中写道。“这使得量子处理器可以直接与量子比特协同工作,同时深入了解时空物理学。通过仔细定义量子计算机的参数以模拟给定的模型,我们可以研究黑洞,甚至更进一步,研究两个相互连接的黑洞——这种配置被称为虫洞。”

研究人员利用机器学习找到了能够保留某些关键引力特性并维持模型所需能量动力学的完美量子系统。此外,他们还必须模拟被称为 费米子 的粒子。

该团队在新闻发布会上指出,有强有力的证据表明,我们的宇宙遵循与量子芯片上观察到的全息宇宙相似的规则。研究人员在谷歌的博文中写道:“引力只是量子计算机探测复杂物理理论的独特能力的一个例子:量子处理器可以深入了解时间晶体、量子混沌和化学。”

 

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Charlotte Hu

助理科技编辑

Charlotte 是《趣味科学》的助理科技编辑。她对了解我们与技术的关系如何变化以及我们如何在网上生活感兴趣。


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