科學家利用量子計算機成功模擬蟲洞

【2022年12月25日訊】(記者林達編譯報導)物理學家、數學家、天文學家,甚至電影製片人一直對蟲洞的概念著迷:這是一種不可預測並且捉摸不定的現象,據信它會在時空中創造隧道以及兩個遙遠地點之間的捷徑。另一種理論認為,如果以正確的方式連接兩個黑洞,就可以創造一個蟲洞。

研究蟲洞(wormhole)就像玩拼圖遊戲,但卻不知道目標圖片看起來什麼樣。如果周圍拼圖都已完成,你也許可以據此猜到中心缺失的那一塊應該是什麼,不過你並不會100%確定它是否正確。

就蟲洞而言,那是因為目前還沒有證據表明蟲洞是否確實存在於宇宙空間中。不過,科學家在數學上求解理論物理學基本方程的過程的確表明應該存在蟲洞這樣一種東西。

為了循此途徑進一步去了解這類神奇天體的特性,來自加州理工學院、哈佛大學、麻省理工學院、費米實驗室和谷歌的研究人員在位於同一處理器上的兩個量子系統之間創建了一個小的「蟲洞」效應。更重要的是,該團隊還在兩系統之間發送了信號。

雖然他們創造的並不是真正的時空隧道,但該系統確實模仿了已知的蟲洞動力學。就物理學家通常考慮的屬性而言,如正能量或負能量、引力和粒子行為,這個計算機模擬系統實際上工作起來就像一個小蟲洞。該團隊在新聞發布會上表示,該模型是一種在實驗室環境中研究宇宙基本問題的方法。描述該系統的論文發表在11月30日的《自然》雜誌。

加州理工學院物理學教授瑪麗亞‧斯皮羅普盧(Maria Spiropulu)在一份新聞稿中說:「我們發現了一個量子系統,它展示了引力蟲洞的關鍵特性,但又足夠小,可以在當今的量子硬件上實現。」「這項工作朝著使用量子計算機測試量子引力物理學方面邁出了一步。」

量子引力是一套理論,將引力規則和量子力學結合在一起。目前尚無精確的方程來描述宇宙中的量子引力。

大約100年來,科學家們一直在思考引力和蟲洞之間的關係,但直到2013年,量子糾纏才被認為是其中的一個因素。2017年,另一組科學家提出,可穿越的蟲洞有點像「量子隱形傳態」(quantum teleportation)——信息利用量子糾纏原理在太空中傳輸。

在最新的實驗中,谷歌的Sycamore量子處理器中僅運行9個量子比特,該團隊使用機器學習建立了一個簡化版本的蟲洞系統,它「可以在當前量子架構下被編碼,並保留引力特性,」斯皮羅普盧解釋道。實驗表明,信息以量子比特的形式可以通過一個系統發送並以正確的順序重新出現在另一個系統上——一種類似蟲洞的行為。

那麼研究人員如何在一個盒子裡建立一個有自己特定規則和幾何屬性的小宇宙呢?根據谷歌的說法,不同物理理論之間的一種特殊類型的對應使科學家們能夠構建一個類似全息圖一樣的宇宙,在那裡他們可以「將宇宙空間內的物體與宇宙表面上彼此相互作用的一組量子比特聯繫起來,」研究人員在一篇博文中寫道。「這允許量子處理器直接與量子比特一起工作,同時提供對時空物理學的洞察力。通過仔細定義量子計算機的參數來模擬指定的模型,我們可以觀察黑洞,甚至可以更進一步觀察兩個相互連接的黑洞,此即蟲洞的配置。」

研究人員使用機器學習找到了完美的量子系統,該系統將保留一些關鍵的引力特性,並保持模型所需要描繪的能量動力學。此外,他們還必須模擬被稱為費米子的粒子。

該團隊在新聞發布會上指出,強有力的證據表明:我們的宇宙按照與在量子芯片上觀察到的全息宇宙相似的規則運行。研究人員在谷歌博文中寫道:「引力只是量子計算機探索複雜物理理論獨特能力的一個例子,量子處理器還可提供對時間晶體、量子混沌和化學的洞察力。◇

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