撰文：本.特纳         2022年12月2日

物理学家使用量子计算机模拟了有史以来第一个全息虫洞，并通过它传输信息。

在谷歌的Sycamore 2量子计算机上创建的“婴儿”虫洞，不是通过重力产生的，而是通过量子纠缠产生的——两个粒子之间的联系，使得测量一个粒子会瞬间影响另一个粒子。通过在微小的超导电路中纠缠量子比特，物理学家能够创建一个传送信息的入口。该实验有可能进一步假设，我们的宇宙是由量子信息拼接在一起的全息图。研究人员于11月30日在《自然》杂志上发表了他们的研究结果。

在11月30日的新闻发布会上，首席作者、加州理工学院的物理学家玛丽亚·斯皮罗普洛表示：“这是在实验室中探索量子引力的一个初步步骤。当我们看到这些数据时，我感到一阵恐慌。我们上下跳跃，但我正在努力让它脚踏实地。

虫洞是通过黑洞两端连接的时空隧道。在自然界中，两个黑洞的巨大引力有助于创造虫洞的条件，但实验中模拟的虫洞有点不同：它是一个玩具模型，依赖于一个叫做量子隐形传态的过程来模拟两个黑洞，并通过门户发送信息。这些过程看起来非常不同，但根据研究人员的说法，它们可能根本没有那么不同。在一个被称为全息原理的假设中，围绕黑洞奇点（爱因斯坦的广义相对论）破裂的引力理论，实际上可能来自于控制量子比特（量子力学）等非常小的物体的奇怪规则，而他们的实验可能会提供第一条线索，说明情况确实如此。

谢天谢地，量子计算机中的黑洞类似物，与潜伏在太空中的消耗一切的怪物不同。但研究人员不确定他们是否已经足够接近地模拟了黑洞，使其被认为是真实事物的奇怪变体，最终将其量子计算机裂缝称为“突发”黑洞。

“它看起来像鸭子；走路像鸭子；呱呱叫像鸭子。这就是我们现在可以说的，”合作者、物理学家、费米实验室研究副主任约瑟夫·莱肯在新闻发布会上说。“我们有一些东西，就我们所看到的属性而言，它看起来像一个虫洞。”

爱因斯坦的预言

虫洞的概念最早起源于阿尔伯特·爱因斯坦和他的同事内森·罗森的工作，他于1935年在一篇著名的论文中证明，广义相对论允许黑洞通过桥梁连接起来，可以连接很远的距离。 该理论试图为空间中的奇点提供另一种解释：黑洞的核心，那里的质量无限集中在一个点上，产生了强大的引力场，时空扭曲到无穷大，爱因斯坦方程组崩溃。爱因斯坦和罗森推断，如果虫洞以某种方式存在，那么广义相对论就成立了。

1935年著名论文发表前一个月，爱因斯坦、罗森和他们的同事鲍里斯·波多尔斯基又写了一篇论文。在这项研究中，他们做出了一个预测，与他们后来在广义相对论中发表的论文不同，这并不是为了支持量子理论，而是为了怀疑其荒谬的含义。如果量子力学的规则是真的，物理学家们概述道，两个粒子的性质可能会变得不可分割地联系在一起，以至于测量其中一个粒子会立即影响另一个粒子，即使这两个粒子之间有巨大的差距。爱因斯坦嘲笑这一过程，现在称之为量子纠缠，称其为“远距离的幽灵行动”，但它已经被观测到，并被物理学家普遍使用。

尽管爱因斯坦做出了这两个开创性的预测，但他对量子物理学固有的不确定性和怪异性的厌恶，可能会让他失去一个重要的洞察力：事实上，这两个预测可能是相互关联的。通过分离广义相对论和量子理论，物理学家们对引力和量子效应发生碰撞的领域一无所知，比如黑洞的内部，或者在宇宙大爆炸时刻形成的无穷小点。

全息原理

自从爱因斯坦陷入这一僵局以来，对大小结合点的探索——万物理论——使得物理学家们提出了各种各样丰富多彩的命题。一个是全息原理，它假设整个宇宙，是在遥远的2D表面上进行的3D全息投影过程。

这一想法起源于1970年代史蒂芬·霍金的工作，该工作提出了一个明显的悖论，即如果黑洞确实发射出霍金辐射（来自在事件视界附近随机出现的虚拟粒子的辐射），它们最终会蒸发，从而打破了量子力学的一个重要规则，即信息不能被破坏。广义相对论和量子力学现在似乎不再是不可调和的；尽管他们有许多令人难以置信的准确预测，但他们甚至可能是错误的。

为了解决这个问题，弦理论支持者（旨在调和量子力学和相对论）利用观测结果，黑洞所包含的信息，与其事件视界的二维表面积（超过该点，即使是光也无法逃脱其引力）有关。甚至关于塌入黑洞的恒星的信息，也被编织成水平表面的波动，然后被编码到霍金辐射中，并在黑洞蒸发之前被送出去。

20世纪90年代，理论物理学家伦纳德·苏斯金和杰拉德·胡夫特意识到，这个想法不必就此止步。如果一颗3D恒星的所有信息，都可以在2D事件视界上表现出来，那么也许宇宙——它有自己不断扩大的视界——也是一样的：2D信息的3D投影。

从这个角度来看，广义相对论和量子力学这两个相互分离的理论，可能根本就不分离。时空的引力扭曲，以及我们所看到的其他一切，可能会像全息投影一样出现，从遥远地平线的低维度表面上，微小粒子的微小相互作用中闪闪发光。

虫洞测试

为了验证这些想法，研究人员转向了谷歌的Sycamore 2计算机，在其上加载了一个简单的全息宇宙的裸骨模型，该模型的两端包含两个量子纠缠黑洞。在将输入信息编码成第一个量子位后，研究人员看到该信息被打乱成乱码——类似于被第一个黑洞吞噬——然后在另一端未被打乱而完整地弹出，就像被第二个黑洞吐出一样。

林肯说：“这里的物理学原理是，如果我们有两台量子计算机，它们位于地球的不同侧，如果我们稍微改进一下这项技术，你可以做一个非常类似的实验，量子信息在我们哈佛的实验室消失，并出现在这个实验室和加州理工学院。这将比我们在单个芯片上实际做的，更令人印象深刻。但实际上，我们在这里谈论的物理在这两种情况下都是一样的。”

虫洞把戏令人惊讶的方面并不是信息以某种形式通过了，而是它完全完整地出现了，并且以相同的顺序出现了——关键线索表明，实验表现得像物理虫洞，而物理虫洞反过来又可以通过纠缠来驱动。

研究人员注意到，这些信息跨越了一个微小的差距，仅比自然界中最短的可想象距离----普朗克长度大几个因素。未来，他们希望设计更复杂的实验，在更先进的硬件上执行，并在更远的距离上发送代码。他们说，虽然从通过虫洞发送信息到发送物理物质，比如亚原子粒子，并不需要太多理论上的飞跃，但它需要足够大的量子比特密度来创建一个真正的微型黑洞。

斯皮罗普洛说：“从实验上来说，我会告诉你，它非常非常遥远。”。“人们来到我身边，问我，‘你能把你的狗放进虫洞吗？’不，那将是一个巨大的飞跃。”