作為生活在三維世界里的人，我們似乎都思考過一個(gè)問題：時(shí)空穿越是可以實(shí)現(xiàn)的嗎？

1916 年，奧地利物理學(xué)家 Ludwig Flamm 首次提出了「蟲洞（wormhole）」的概念，1930 年代由愛因斯坦及納森 · 羅森在研究引力場方程時(shí)假設(shè)黑洞與白洞通過蟲洞連接，因此「蟲洞」又被稱作「愛因斯坦—羅森橋」。「蟲洞」被認(rèn)為是宇宙中可能存在的「捷徑」，物體通過這條捷徑可以在瞬間進(jìn)行時(shí)空轉(zhuǎn)移。然而，科學(xué)家們一直無法證實(shí)蟲洞的客觀存在。

現(xiàn)在，科學(xué)家們創(chuàng)造了有史以來第一個(gè)蟲洞，研究論文登上了《Nature》雜志的封面。

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

蟲洞就像一個(gè)全息圖，由存儲在微型超導(dǎo)電路中的量子比特信息或「qubit」組成。該研究通過操縱量子比特，成功通過蟲洞發(fā)送了信息。

這項(xiàng)研究是由加州理工學(xué)院物理學(xué)教授 Maria Spiropulu 領(lǐng)導(dǎo)的，研究團(tuán)隊(duì)使用谷歌的量子計(jì)算機(jī) Sycamore 實(shí)現(xiàn)了一種新型的「蟲洞隱形傳態(tài)協(xié)議」。

加州理工學(xué)院物理學(xué)家 Maria Spiropulu 。圖源：量子雜志。

全息原理是基于黑洞的量子性質(zhì)提出的一種基本原理，涉及基礎(chǔ)物理學(xué)、量子力學(xué)和廣義相對論。自 1930 年代以來，物理學(xué)家一直在努力調(diào)和這些互不相干的理論。1990 年代以來全息原理在兩個(gè)框架之間提出了數(shù)學(xué)等價(jià)或「對偶性」。全息原理認(rèn)為廣義相對論描述的彎曲時(shí)空連續(xù)體實(shí)際上是一個(gè)偽裝的粒子量子系統(tǒng)。時(shí)空和引力從量子效應(yīng)中產(chǎn)生，就像 3D 全息圖從 2D 模式中投射出來一樣。

而 Spiropulu 等人進(jìn)行的這項(xiàng)新實(shí)驗(yàn)證實(shí)：我們可以在量子計(jì)算機(jī)中控制量子效應(yīng)，可以產(chǎn)生我們期望在相對論中看到的現(xiàn)象——蟲洞。 

需要明確的是，與普通的全息圖不同，蟲洞不是我們可以看到的。蟲洞的主要開發(fā)者、哈佛大學(xué)的共同作者 Daniel Jafferis 認(rèn)為：雖然我們的研究成果可以被認(rèn)為是「真實(shí)時(shí)空的 filament」傳送協(xié)議，但它不是我們和 Sycamore 計(jì)算機(jī)所在的同一現(xiàn)實(shí)世界的一部分。全息原理表明，這兩種現(xiàn)實(shí)——有蟲洞的現(xiàn)實(shí)和有量子比特的現(xiàn)實(shí)——是同一物理學(xué)的不同版本，但如何概念化這種二元性仍然是個(gè)謎。

對于研究結(jié)果的基本含義，科學(xué)界可能會有各種不同的意見。但至關(guān)重要的是，實(shí)驗(yàn)中的全息蟲洞由與我們所在宇宙的時(shí)空不同的時(shí)空組成。該實(shí)驗(yàn)是否進(jìn)一步證明了我們居住的時(shí)空也是全息的，這一點(diǎn)值得商榷。

Jafferis 說：「我認(rèn)為宇宙中的引力確實(shí)是從一些量子比特中產(chǎn)生的，就像這個(gè)一維蟲洞是從 Sycamore 芯片中產(chǎn)生的一樣。但我們還不能完全確定，我們?nèi)栽谂μ剿??！?/span>

背景

AdS/CFT 的對應(yīng)關(guān)系是在一系列由問題引起的探究結(jié)束時(shí)發(fā)現(xiàn)的。在一個(gè)單一的空間區(qū)域內(nèi)，能容納的最大信息量是多少？如果有人問工程師，一個(gè)數(shù)據(jù)中心可能儲存多少信息，答案很可能是「這取決于其中內(nèi)存芯片的數(shù)量和類型」。但令人驚訝的是，數(shù)據(jù)中心內(nèi)的東西最終并不那么重要。如果人們把越來越多的內(nèi)存芯片和越來越密集的電子設(shè)備塞進(jìn)數(shù)據(jù)中心，那么它最終會坍縮成一個(gè)黑洞，消失在事件視界（event horizon）后面。

當(dāng)雅各布 · 貝肯斯坦和斯蒂芬 · 霍金等物理學(xué)家試圖計(jì)算黑洞的信息含量時(shí)，他們驚訝地發(fā)現(xiàn)，它是由事件視界的面積給出的，而不是由黑洞的體積。這看起來就像黑洞內(nèi)部的信息被寫在了事件視界上。具體來說，一個(gè)黑洞的事件視界可以用 A 個(gè)微小單位的面積（每個(gè)單位稱為「普朗克面積」，為 2.6121×10^-70 平方米）來鋪設(shè)，最多有 A/4 比特的信息。這個(gè)極限被稱為「貝肯斯坦 - 霍金邊界」。

這一發(fā)現(xiàn)表明，一個(gè)區(qū)域所能容納的最大信息量未必與它的體積成正比，而是與該區(qū)域邊界的表面積成正比，這暗示了量子信息與我們?nèi)粘＝?jīng)驗(yàn)中的三維空間世界之間的一種有趣的關(guān)系。這種關(guān)系已被「它來自量子比特」（It from qubit）這一短語所概括，描述了物質(zhì)（它）如何從量子信息（量子比特）中出現(xiàn)。

雖然對普通時(shí)空來說，正式確定這種關(guān)系是困難的，但最近的一項(xiàng)研究取得了具有雙曲幾何的假想宇宙的顯著進(jìn)展，被稱為「反德西特空間」（anti-de Sitter space），其中量子引力理論的構(gòu)建更加自然。

在反德西特空間中，對有引力作用的空間體積的描述，可以被認(rèn)為是在包圍該體積的邊界上編碼的：空間內(nèi)的每個(gè)物體在邊界上都有相應(yīng)的描述，反之亦然。這種信息的對應(yīng)關(guān)系被稱為「全息原理」，這是一個(gè)受貝肯斯坦和霍金的觀察啟發(fā)的通用原理。

AdS/CFT 的對應(yīng)關(guān)系使物理學(xué)家能夠?qū)⒖臻g中的物體與表面上相互作用的量子比特的特定集合聯(lián)系起來。也就是說，邊界的每個(gè)區(qū)域（在量子信息中）都編碼了時(shí)空中某個(gè)區(qū)域的內(nèi)容，這樣一來，任何給定位置的物質(zhì)都可以由量子信息「構(gòu)建」出來。這使得量子處理器可以直接與量子比特一起工作，同時(shí)提供對時(shí)空物理學(xué)的洞察力。通過仔細(xì)定義量子計(jì)算機(jī)的參數(shù)來模擬一個(gè)給定的模型，我們就可以研究黑洞，甚至更進(jìn)一步研究兩個(gè)相互連接的黑洞——一種被稱為「蟲洞」的配置，或「愛因斯坦 - 羅森橋」。

實(shí)驗(yàn)室中的量子引力

谷歌的研究者計(jì)劃在 Sycamore 處理器上實(shí)現(xiàn)這些想法，他們構(gòu)建了一個(gè)與可穿越蟲洞對等的量子系統(tǒng)。通過全息原理從量子信息語言轉(zhuǎn)化為時(shí)空物理學(xué)，該實(shí)驗(yàn)讓一個(gè)粒子落入蟲洞的一邊，觀察它在另一邊出現(xiàn)。

在最近的研究中，Daniel Jafferis、Ping Gao 和 Aron Wall 證明了可穿越蟲洞的可能性。蟲洞長期以來一直是科幻小說的主題，但一個(gè)「憑想象」構(gòu)建的蟲洞會在穿過它的粒子上坍縮。

研究者表明：負(fù)能量的沖擊波，即以光速傳播的時(shí)空變形，可以解決這個(gè)問題，它將蟲洞撐開足夠長的時(shí)間使其可以從中穿越?？纱┰较x洞中負(fù)能量的存在類似于卡西米爾效應(yīng)中的負(fù)能量，即真空能量將緊密間隔的板塊推到一起。在這兩種情況下，量子力學(xué)允許空間中某一特定位置的能量密度為正或負(fù)。另一方面，如果蟲洞經(jīng)歷了一個(gè)正能量的沖擊波，就不會有信息被允許通過。

用全息原理來創(chuàng)造一個(gè)蟲洞的最簡單應(yīng)用需要很多很多的量子比特——事實(shí)上，要想接近理論物理學(xué)家給出的鉛筆和紙張的解決方案，就需要非常多的量子比特。隨著量子比特?cái)?shù)量的減少，還需要額外的修正，而這些修正在今天仍然不為人所知。要在數(shù)量有限的量子計(jì)算機(jī)上建立一個(gè)可穿越的蟲洞，需要新的思路。

研究者之一 Zlokapa 采用深度學(xué)習(xí)的思路設(shè)計(jì)了一個(gè)小型的量子系統(tǒng)，保留了引力物理學(xué)的關(guān)鍵方面。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是通過反向傳播進(jìn)行訓(xùn)練的，這種方法通過直接計(jì)算網(wǎng)絡(luò)各層的梯度來優(yōu)化參數(shù)。為了提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的性能，防止其對訓(xùn)練數(shù)據(jù)集過擬合，機(jī)器學(xué)習(xí)研究者采用了大量的技術(shù)，比如稀疏化試圖通過將盡可能多的權(quán)重設(shè)置為零來限制網(wǎng)絡(luò)中的信息細(xì)節(jié)。

Alex Zlokapa 是麻省理工學(xué)院的一名研究生，他在本科時(shí)就加入了蟲洞項(xiàng)目。在研究中，他找到了一種方法來簡化蟲洞協(xié)議，使其足以在谷歌的量子計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。圖源：量子雜志。

同樣，為了創(chuàng)建蟲洞，研究者從一個(gè)大的量子系統(tǒng)開始，把它當(dāng)作一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。反向傳播更新了系統(tǒng)的參數(shù)以保持引力特性，而稀疏化減少了系統(tǒng)的大小。他們應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)來學(xué)習(xí)一個(gè)系統(tǒng)，只保留了一個(gè)關(guān)鍵的引力特征：使用負(fù)能量沖擊波的重要性。訓(xùn)練數(shù)據(jù)集比較了粒子穿越一個(gè)用負(fù)能量撐開的蟲洞和用正能量塌縮的蟲洞的動(dòng)態(tài)。通過確保學(xué)到的系統(tǒng)保留這種不對稱性，他們得到了一個(gè)與蟲洞動(dòng)力學(xué)一致的稀疏模型。

研究者們對新的量子系統(tǒng)進(jìn)行了許多測試，以確定它是否表現(xiàn)出超越不同能量沖擊波所引起特征的引力行為。例如，雖然量子力學(xué)效應(yīng)能以多種方式在量子系統(tǒng)中傳遞信息，但在時(shí)空中傳播的信息——包括通過蟲洞——必須是因果一致的。這一點(diǎn)和其他特征在經(jīng)典計(jì)算機(jī)上得到了驗(yàn)證，證實(shí)了量子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)與通過全息原理辭典中的引力解釋是一致的。

將可穿越蟲洞作為實(shí)驗(yàn)在量子處理器上實(shí)現(xiàn)是一個(gè)異常微妙的過程?？缭搅孔颖忍氐男畔鬏?shù)奈⒂^機(jī)制是高度混亂的：想象一滴墨水在水中旋轉(zhuǎn)。當(dāng)一個(gè)粒子落入蟲洞時(shí)，它的信息會被涂抹在全息圖的整個(gè)量子系統(tǒng)中。為了使負(fù)能量沖擊波發(fā)揮作用，信息的擾亂必須遵循一種特殊的模式，即所謂的「完美尺寸纏繞（perfect size winding）」。

在粒子撞上負(fù)能量沖擊波后，混亂的模式有效地反向進(jìn)行：當(dāng)粒子從蟲洞中出現(xiàn)時(shí)，就好像墨滴通過完全撤消其原來的湍流擴(kuò)散而重新組合在一起。如果在任何一個(gè)時(shí)間點(diǎn)上，發(fā)生了一個(gè)小錯(cuò)誤，混沌動(dòng)力學(xué)就不會自我撤消，粒子也就無法通過蟲洞了。

在 Sycamore 量子處理器上，研究者測量了當(dāng)應(yīng)用負(fù)能量和正能量沖擊波時(shí)，有多少量子信息從系統(tǒng)的一側(cè)傳遞到另一側(cè)。他們觀察到兩種能量之間有輕微的不對稱性，顯示出可穿越蟲洞的關(guān)鍵特征。由于該協(xié)議對噪聲的敏感性，Sycamore 處理器的低錯(cuò)誤率對測量信號至關(guān)重要；即使有 1.5 倍的噪聲，信號也會被完全掩蓋。

展望

引力只是量子計(jì)算機(jī)探索復(fù)雜物理理論的獨(dú)特能力的一個(gè)例子：量子處理器可以提供對時(shí)間晶體、量子混沌和化學(xué)的洞察力。這項(xiàng)蟲洞動(dòng)力學(xué)的工作，代表了使用量子處理器發(fā)現(xiàn)基本物理學(xué)的一步。

隨著量子設(shè)備的不斷改進(jìn)，更低的錯(cuò)誤率和更大的芯片將允許研究者們對引力現(xiàn)象進(jìn)行更深入的探測。與記錄周圍世界引力數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)不同，量子計(jì)算機(jī)提供了一個(gè)探索量子引力理論的工具。未來，量子計(jì)算機(jī)將有助于發(fā)展對未來量子引力理論的理解，超越目前的模型。