量子計(jì)算模擬揭示了可能的蟲(chóng)洞狀動(dòng)力學(xué)

事實(shí)證明，要完全理解我們這個(gè)世界上發(fā)揮作用的許多基本的力量并不容易。包括哈佛大學(xué)物理系的 Daniel Jafferis 和加州理工學(xué)院的同行在內(nèi)的一組研究人員進(jìn)行的一項(xiàng)新實(shí)驗(yàn)代表了我們對(duì)塑造宇宙的引力與支配宇宙的理論框架量子力學(xué)之間關(guān)系的看法邁出的一小步亞原子粒子的運(yùn)動(dòng)和相互作用。

100 多年來(lái)，對(duì)引力的普遍描述源于愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論——引力與時(shí)空曲率有關(guān)。在過(guò)去的 25 年里，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)引力和量子力學(xué)之間存在著密切的聯(lián)系。在這些連接中有蟲(chóng)洞，也被稱為空間的橋梁或隧道，愛(ài)因斯坦在 1935 年將其描述為可以連接兩個(gè)黑洞的時(shí)空通道。

Jafferis 的團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了一項(xiàng)基于當(dāng)前量子計(jì)算的實(shí)驗(yàn)，以了解蟲(chóng)洞動(dòng)力學(xué)。“這是一個(gè)非常小的蟲(chóng)洞的量子模擬，”Jafferis 說(shuō)。“在此之前，還不清楚我們現(xiàn)在擁有的設(shè)備是否可以做到這一點(diǎn)。” 該研究發(fā)表在《自然》雜志上。

愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論將蟲(chóng)洞描述為兩個(gè)內(nèi)部相連的黑洞，有東西可以從兩邊跳躍，在中間相遇，但都不能再出來(lái)——黑洞中眾所周知的陷阱。

“從 1930 年代開(kāi)始，蟲(chóng)洞內(nèi)部連接起來(lái)是一個(gè)美妙的想法，但尚不清楚這個(gè)概念是否具有操作意義，”Jafferis 說(shuō)。“但現(xiàn)在我們知道蟲(chóng)洞配置確實(shí)有物理解釋；它對(duì)應(yīng)于高度糾纏空間中的兩個(gè)獨(dú)立黑洞?！?/span>

近年來(lái)，科學(xué)家們建造了量子計(jì)算機(jī)等物理設(shè)備來(lái)創(chuàng)建模擬，他們可以在其中以受控方式操縱量子態(tài)的糾纏。Jafferis 的團(tuán)隊(duì)想看看他們是否可以創(chuàng)建一個(gè)簡(jiǎn)化的模型來(lái)模擬蟲(chóng)洞的引力方面。他們能否制造一個(gè)量子系統(tǒng)，其中空間糾纏的模式在結(jié)構(gòu)上屬于正確的類型，以至于它看起來(lái)像是通過(guò)蟲(chóng)洞發(fā)送東西？

在實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)中，研究人員在兩側(cè)之間引入了連接，使蟲(chóng)洞可以穿越。信號(hào)可以從一側(cè)發(fā)送到另一側(cè)，速度可能不會(huì)很快，但不會(huì)卡住。在量子語(yǔ)言中，這被稱為“量子隱形傳態(tài)”，一種使用共享糾纏發(fā)送量子信息的方式。“信息不是通過(guò)直接信號(hào)發(fā)送的，而是以一種使用糾纏的更微妙的方式發(fā)送的，”Jafferis 補(bǔ)充道。

該團(tuán)隊(duì)從他們?cè)O(shè)備的一個(gè)區(qū)域中的量子位開(kāi)始，這是簡(jiǎn)單的一種量子空間。他們?cè)谟?jì)算機(jī)內(nèi)的另一個(gè)固定糾纏空間中釋放了其他量子比特，總共九個(gè)量子比特。然后使用量子計(jì)算機(jī)的門(mén)操作將這兩個(gè)空間混合在一起。

接下來(lái)，他們使用數(shù)據(jù)操作根據(jù)某些動(dòng)態(tài)解釋不斷發(fā)展的系統(tǒng)。一步是在量子位到達(dá)計(jì)算機(jī)的另一側(cè)后查看它。Jafferis 說(shuō)：“我們?cè)儐?wèn)它是否與我們發(fā)送的相同，或者看起來(lái)是否不同。” “這是我們可以創(chuàng)建的簡(jiǎn)單的量子電路，看看我們是否可以模擬蟲(chóng)洞動(dòng)力學(xué)?！?/span>

該團(tuán)隊(duì)的終目標(biāo)是了解有關(guān)量子系統(tǒng)引力描述的所有細(xì)節(jié)。“在有限的情況下，我們通過(guò)理論數(shù)學(xué)知道它是如何工作的，但我們不知道所有的答案，”Jafferis 說(shuō)。“使用這個(gè)非常小的量子系統(tǒng)，我們認(rèn)為這是朝著制造更大的系統(tǒng)邁出的步，在那里我們可以發(fā)現(xiàn)更多。”

這項(xiàng)研究得到了美國(guó)能源部科學(xué)辦公室的資助。