突破虫洞仿真可能统一量子物理学和广义相对论

By Robert Lea

2022/12/2

Science & Astronomy

这一突破可能为研究“量子引力”提出一种方法，“量子引力在实验室中是量子物理学和爱因斯坦的广义相对论之间缺失的联系。

一个虫洞的3D代表。 (Image credit: Stockernumber2/Getty Images)

科学家们已经设计了一个允许他们来研究虫洞的动力学的量子实验，虫洞是最早从爱因斯坦的1915年引力理论或广义相对论浮现的空时实体。

不是创造一个实际的在时间和空间中撕理论化来形成一个遥远的空间区域和另一个区域之间的桥梁的虫洞，而是该团队建立了一个虫洞模型来运行在量子处理器上。这允许他们来调查虫洞的物理学，以及它们的与所谓的“量子引力”的潜在联系。

美国能源部科学研究办公室基础物理量子通信通道（QCCFP）项目首席研究员玛丽亚·斯皮洛普鲁在一份声明中说，“我们发现了一个展示一个引力虫洞的关键属性又足够小来在今天的量子硬件上实现的量子系统。这项工作构成朝向一个用量子计算机测试量子引力物理学的一大步”。

     合著者加州理工学院一名研究生的萨曼莎·戴维斯在声明中说真的花了很长时间来到达这个结果，团队被暗示虫洞一样的行为能被从量子物理学和广义相对论的角度解释的结果感到惊讶。

也是加州理工学院尚毅物理学教授的斯皮罗普鲁补充说，虽然这个新模型不能替代量子直接探测引力，但它确实提供了一种在实验室中来调查量子引力的想法的强有力的方式。

爱因斯坦的广义相对论是科学家有的在真正大质量尺度上这个宇宙的最佳描述，而量子物理学是亚原子世界的最准确的图片。这个问题就像这两个物理学领域自20世纪初成立以来一样已经变得强健，它们没有统一。

这是因为在量子物理学的尺度上没有引力的描述，同时引力是广义相对论的主要关注。这使一个“引力的量子理论”的发现成为一个物理学家关注的问题并且对物理学中长期追求的“一切的理论”是关键。

该团队的量子创造的虫洞可能是在这个乞求中在正确的方向中的一步。

自从1935年当阿尔伯特·爱因斯坦拿出了他1915年的广义相对论方程式并与美国-以色列物理学家内森·罗森一起将它们描述为穿过空时的织造的隧道以来科学家一直在理论化关于虫洞。

后来获得了“爱因斯坦-罗森桥”的绰号的这些空时隧道在20世纪50年代被黑洞专家约翰·惠勒命名为虫洞。

 在这幅图中，位于中心的超大质量黑洞在一个所谓的吸积盘中被流到黑洞上的物质包围。. (Image credit: NASA/JPL-Caltech)

2013年，虫洞和纠缠之间的一个联系被锻造，纠缠是量子物理学的暗示两个粒子能被以这样一种方式无论它们被分开多远即便它们彼此位于宇宙的另一边改变一个瞬间改变另一个的要素。

物理学家胡安·马尔达塞纳和伦纳德·苏斯金德当他们理论化了虫洞等同于纠缠在于两者都描述了宇宙的遥远区域之间的一个联系时联系了广义相对论和量子物理学这两个不同的世界。斯皮罗普鲁说，“这是一个非常大胆和富有诗意的想法”。

2017年，由马尔达塞纳和苏斯金德提出的想法被哈佛大学物理学家丹尼尔·贾弗里斯、丹尼尔和他的同事们扩展。

他们发展了一个概念，在这个概念中负排斥能量把持一个虫洞打开足够长让某些东西从一端到另一端通过，这样创造着一个可穿越的虫洞。

一个可穿越虫洞的概念类似于量子物理学的另一个特征量子隔空传送，量子隔空传送用纠缠的原理来跨广袤的距离用光纤或通过空气传输信息。

当前的研究拿上虫洞和量子隔空传送之间的潜在联系并以更详细探索它就像加州理工学院领导的团队执行第一个探测信息从空间中的一个点到另一个点能被要么用广义相对论建立的引力的语言要么用量子纠缠------量子物理学的语言描述的实验一样。

科学家们叫你会进入和退出一个虫洞的地方为“嘴”，而他们叫隧道本身为“喉咙”。  (Image credit: Victor Habbick Visions/Science Photo Library via Getty Images)

该团队通过开发一个婴儿萨克德夫-叶-基塔耶夫（SYK）量子系统并将其与另一个萨克德夫-叶-基塔耶夫系统纠缠造成了一个来保守引力属性的模型开始。

然后这个模型被简化为一种有在传统计算机上机器学习之后科学家们可以在谷歌的悬铃木量子处理器上观察虫洞一样的动力学的形式。

斯皮罗普鲁说，“我们应用了学习技术来发现并准备一个简单的萨克德夫-叶-基塔耶夫一样的可以被以当前的量子结构编码并将保守引力属性的量子系统，换句话说，我们简化了萨克德夫-叶-基塔耶夫量子系统的微观描述并研究了我们在量处理器上发现的结果的有效模型”。

在实验中，该团队对萨克德夫-叶-基塔耶夫的一个引入了一个量子比特，一个量子位，量子计算的相当于传统计算中一个标准比特的基本单元。然后，他们观望了在另一个萨克德夫-叶-基塔耶夫上的信息。

这意味了信息已经从一个量子系统旅行经由以量子物理学语言的量子隔空传输从另一个量子系统浮现。然而，在引力的语言中，这复制了一个可穿越虫洞的旅行。

一个可穿越虫洞的关键特征只在当团队试图来在空时中用排斥的负能量脉冲来蹦开它们的一个桥的模型时被演示。这反映如果它们被发现存在真正的虫洞被期望怎样在空间深处来行为。

RELATED STORIES:

— Loop quantum gravity: Does space-time come in tiny chunks?

— Nobel Prize in Physics goes to scientists who paved the way for quantum computing

— Quantum entanglement: A simple explanation

该团队进行的测试是同类实验中的第一个，并仅用谷歌的量子处理器的高保真度使它成为可能的。

斯皮罗普鲁说，“如果错误率比50%更高，这个信号会一直是完全模糊的。如果它们是一半，我们会有10倍的这个信号！优化在这个模型的一个特征上多保守了另一个度量是好奇的和令人惊讶的。我们有更好洞察模型本身进行更多的测试的计划”。

这些未来的测试涉及将工作转移到甚至更复杂的量子电路上------尽管全量子计算机的到来可能还需要数年才结果。

斯皮罗普鲁说，“量子纠缠、空时和量子引力之间的关系是基础物理学中最重要的问题之一，并是理论研究的一个活跃的领域。我们很高兴能在量子硬件上朝向测试采取这一小步并将保持继续往前走”。

该团队的研究结果将于周四（12月1日）发表在《自然》杂志上。