借助量子計算機?歌?次構造“?洞”并實現穿越

近年來，以“時空穿越”為主題的影視劇層出不窮，回到主人公年少時代，都吸引著人們向往自己有一天能夠穿越時空完成各自的夢想。

這些影視劇中，可能《星際穿越》中對于如何穿越和穿越原理似乎介紹的最多。電影中男主人公通過科學家們構造的高維度“蟲洞”實現了穿越，甚至與另外一個時空的自己進行交流。那么到底什么是“蟲洞”呢？

“蟲洞”又稱愛因斯坦-羅森橋，是將宇宙中兩個遙遠區域進行相互連接的理論時空橋梁。在1935年，愛因斯坦與他的研究助理羅森在試圖拓展廣義相對論到一個更高級的統一理論時，在偶然間從理論上預測了“蟲洞”的存在。但是，在此之前還從未在實驗中還沒有真正看到或觀察到它們。

為探索“蟲洞”的動力學特點，美國能源部科學辦公室基礎物理學量子通信首席研究員，同時也是美國加州理工學院教授的瑪麗亞·斯皮羅普盧所領導的研究團隊與美國谷歌公司一同合作，在QCCFP項目的資助下利用谷歌公司旗下著名的量子計算機懸鈴木上首次實現了“蟲洞”實驗，通過量子計算機構建一種“蟲洞”通道進行了量子糾纏態的不同位置傳送。

該實驗證明了量子物理與廣義相對論之間的關系，同時也表明了量子計算機在復雜物理理論研究中的優越性，相關成果以《量子計算機上實現可穿越蟲洞行為》發表于《自然》雜志，并在封面進行了重點報道。

根據作者介紹，該成果的實現是在大量先前理論研究的基礎上進行的。阿列克謝·基塔耶夫在2015年就曾提出一個簡單的費米子的量子動力學系統，命名為Sachdev-Ye-Kitaev（SYK）模型，SYK模型表明量子動力學行為可以表現為一種全息的量子重力效應，并提出可以在量子計算機上完成量子引力實驗。

2019年一項研究表明，通過量子糾纏原理構建兩個SYK模型，人們應該能夠進行量子信息的“蟲洞”傳送，產生并測量空間中可穿越的蟲洞所期望的動力學特性。在廣義相對論中，如果正負能量波動平衡，則沒有東西可以通過蟲洞。但是如果存在一種負能量沖擊波就有希望將“蟲洞”撐開，從而實現穿越性。

在上述理論的基礎上，該聯合研究團隊利用谷歌的懸鈴木量子計算機的9個量子比特位，量子位被可視化為波函數。在構建一個類似SYK的系統中插入了一個量子比特信息，同時就可以同一個量子處理器上觀察到從另一個類似SYK的系統中出現類似的信息，說明該量子比特信息通過量子糾纏構建的“蟲洞”實現了穿越。

雖然本次研究所構建的“蟲洞”是一個二維條件下的，但是該過程的動力學被認為與二維反西特（AdS）時空中的量子系統“蟲洞”的預期行為一致。

在Sycamore量子計算機上，在應用負能量沖擊波和正能量沖擊波的條件下，來測量不同SYK系統中量子信息的傳遞數量的不同。當使用負能量沖擊波時，有更多的量子信息被傳遞。

換句話說，也就是量子糾纏信息在量子計算機傳輸時的動力學特征與量子糾纏信息穿過“蟲洞”時的量子動力學特征是相同的。由于該協議對噪聲的敏感性，所使用的量子處理器的高保真度是至關重要的。

不同于以往的研究工作中是利用量子計算機其高量子比特位下的高速運算能力，例如基于量子計算的分子結構預測等研究。但是，這次研究是直接利用量子計算機中的量子行為來實現量子傳輸“蟲洞”的實驗，通過量子計算機構建一個高度糾纏的系統，并直接測量了物理系統的觀測數據。

而在傳統計算機上，人們只能通過大量計算來“模擬”這個系統，而沒有真正地創建這個實驗系統。這是量子計算機的物理屬性所決定的，除了強大計算能力之外還可以為研究量子動力學行為提供實驗基礎。領導這項研究的粒子物理學家瑪莉亞·斯皮羅普盧表示，這是在一個真正的實驗室試驗臺上對量子引力想法的測試。

這項研究成果的意義是重大的，這項工作是在實驗環境中觀察可穿越“蟲洞”動力學的一次成功嘗試。相信在未來，量子計算機將繼續超越傳統計算機的經典模擬的能力，并且將與物理系統規模相吻合，提供更多新角度的洞察方向，幫助科學家和人們更清晰地了解物理世界和自然運行之道。（綜合整理報道）（策劃/小文）