关于虫洞和量子计算机的真相

科幻小说的一个可穿越虫洞并不更接近现实，尽管一台量子计算机的提示性模拟。

STARTS WITH A BANG — DECEMBER 6, 2022

Ethan Siegel

此图展示信息怎样可能通过一个虫洞模拟的系统被传输。然而，这种模拟的“善性”是有限的，目前不能说它有与可能存在于我们实际的物理宇宙中的虫洞的任何关联。(Credit: inqnet/A. Mueller (Caltech))

关键要点

一个虫洞的概念提出两个被很好隔开的空间区域可以通过一座桥被连接，使信息或甚至可能的物质可能从一个位置瞬间旅行到另一个位置成为可能。

是否这在我们的宇宙中可能的取决于在我们的引力理论广义相对论的上下文中负质量/能量的存在和稳定性。

最近在一台量子计算机上可能已经模拟了某些有趣的东西，但实际上有没有一个与虫洞的联系吗？获得真实的真相而不是炒作。

任何时候你遇到一个能被科学回答的宣称时你应该问你自己一个问题 “什么是真的？”通过仅观察对这个问题的答案------特别是，通过一整套可利用的证据什么能是科学上真实的和已经被科学上既定是真实的------你能得出一个负责任的结论。如果我们观察另外的任何东西，包括我们希望的、我们害怕的或者不能被排除的、不被支持的推测，我们实际上保证了来引导我们自己迷路。毕竟，如果证据不足以说服那些有专家知识的人，它也应该对我们剩下的人是不足够的。

2022年11月30日，《自然》杂志发表了一篇论文，声称了在一台量子计算机上模拟了一个虫洞，声称观察到的特征可能被联系到可能存在于我们自己的宇宙内的真实的、可穿越的虫洞。这个故事有三个部分：

广义相对论内的虫洞的物理学，

在一台量子计算机上实际的模拟，

以及我们真实的宇宙和量子计算之间的联系，

而如果把什么是真的从许多——包括一些该研究的作者——已经公开发表的推测的不被支持的宣称分开我们必须让所有这三个部分都正确。让我们深入探究这三个。

一个虫洞在广义相对论的上下文中是一种在空时中两个不同的、不相连接的事件之间发生立即的传输的方式。这些“桥梁”尽在时间中的这一点上是数学的好奇性，从来没有发现物理虫洞的存在或已经被创造过。(Credit: vchalup / Adobe Stock)

虫洞的物理学

一个虫洞的想法诞生于广义相对论中第一个精确的、非平凡的解史瓦西解后不久，对应于一个非旋转的黑洞。要获得这个解，你所要做的就是取一个完全平坦的空的空间并放置一个体积无穷小但质量有限的物体。无论你把它放在哪里，你将有一个一定质量的黑洞，被一个由该质量决定的特定半径的事件地平线包围。爱因斯坦在1915年年底完成了广义相对论的制定，在1916年初，卡尔·史瓦西发表了这个早期的、引人注目的解决方案，至今仍然相关的并被广泛使用。

许多人------彼此独立------意识到了如果你能够在宇宙中的一个位置来连接一个史瓦西黑洞（正质量）到在另一个位置它的负质量/能量对应物，理论上你可以“连接”这两个位置。这座桥在现代行话中现在被称为一个虫洞。最初，这个理论解是由弗拉姆在1916年发现的，然后在1928年再次被韦尔发现，最著名的是再一次被爱因斯坦和内森在1935年发现。

旅行穿越一个虫洞是一个令人着迷的命题，但在我们实际的宇宙中创造虫洞有许多障碍。除非异域物质、负能量、额外维度或一些类似的幻想实体存在，甚至不可穿越的虫洞被禁止。如果可以穿越的虫洞能存在、像时间膨胀和极端的潮汐力一样的效果仍然被估计以避免毁灭内部的物质。(Credit: Les Bossinas/NASA/Glenn Research Center)

也被称为爱因斯坦-罗森桥，这个早期的理论工作为我们在广义相对论的上下文内对虫洞的现代理解铺平了道路。虽然这些早期的虫洞在对它们会撕裂开并破坏任何胆敢进入它们的物质的意义上有一种病理，但一直有许多已经被提出随物质试图通过它来帮助“保持这些虫洞打开” 的扩展。我们通常指这种虫洞为一个可穿越的虫洞，而我们在科幻小说中遇到的大多数虫洞都正是这种风味的。

虫洞是否能够实际存在是一个仍然激烈争论的问题。是的，我们能数学上写出对包含它们的爱因斯坦方程的解，但数学和物理学是不一样的。数学告诉你什么是在物理可能性的领域内，但仅实际的、真实的宇宙本身要向你揭示什么物理上是真实的。到目前为止，我们要寻找这些物证的地方都已经空手出来。

我们已经观察到了真正的黑洞；没有来自它们表明它们是虫洞的信号。

我们已经观察到很多有正能量的系统；没有内在的负能量的系统。

我们已经观察了很多占有三个或更少空间维度的系统；还没有一丝一个第四（或更高）空间维度的证据。

如果一个可穿越的虫洞连接图宾根大学和法国北部的沙丘，一个凝视进虫洞的人可能能够通过虫洞本身来看遥远的位置。在我们的宇宙中还没有发现这样的结构存在。(Credit: CorvinZahn/Wikimedia Commons)

据我们今天所知，我们宇宙的大交易破坏者似乎是缺乏人们可能叫“异域的”物质。观察这种情况的最简单的方法是把空间看作为有一个来自所有来源的平均能量密度：物质、辐射和甚至是空的空间本身的（正的、非零的）零点能量。在你有正能量的地方，空间响应这个弯曲；这就是为什么大质量粒子表现引力吸引现象的。到目前为止，我们从来在宇宙中探测到的是对它有正值的物质和能量。

但是如果你想要有一个可穿越的虫洞，你需要某种类型的物质和/或对它有一个负值的能量，至少相对于宇宙的平均能量密度是负的。虽然我们能创建有这种属性的小空间区域------例如，两个平行导电板之间的空的空间，比如一个设定显示卡西米尔效应的装置------但没有已知来存在的负能量量子物种。

如果它们真的毕竟不存在，额外的空间维度、额外的场或者某种普朗克尺度的桥（也许只允许信息的传递而不是物质）是可以在广义相对论中物理上发生的虫洞的唯一方式。

这张图片显示谷歌的悬铃木量子计算机处理器。尽管架构已经在保持50多和70多量子比特之间变化，但在2022年被声称已经模拟一个虫洞的工作中只有9个量子比特被利用。所完成的工作肯定是有趣的，但虫洞的模拟是极其有限的并且以许多方式误导的。(Credit: Google)

量子模拟

在他们最近的论文中，作者创造的不是一个实际的虫洞本身，而是一个对一个引力的虫洞拥有一些类似的行为和属性的量子电路。这建立在早期工作上的，其中一些工作需要被重新叙述来了解这项最新工作的重要性。

之前，这个团队的一些成员已经捏造了一个场景，在那里一个负能量脉冲被在两个拓扑上连接的点之间传输，该脉冲被用于量子隔空传输：将量子态从两个连接点的“一侧”转移到另一侧。

这是一个有趣的应用程序，但很难看它怎样被连接到虫洞和引力。唯一的一个联系提出------来强调这只是一个提示是重要的------是在2013年胡安·马尔达塞纳和伦纳德·苏斯金德推测了一个虫洞或一个爱因斯坦-罗森桥等价于一对数学上纠缠的黑洞。这种联系有时被称为ER = EPR，来指出一个虫洞（或爱因斯坦-罗森桥）被链接到量子纠缠，就像第一篇关于纠缠的论文被EPR撰写一样：爱因斯坦、鲍里斯·波多尔斯基和罗森。

两个量子能被瞬间的彼此纠缠甚至跨很大的距离的想法往往被谈论为量子物理学中最诡异的部分。如果现实从根本上是确定性的，并且被隐藏的变量规制，这种诡异性可以被消除。不幸的是，试图消除这种量子诡异性的尝试都已经失败了，像AdS/CFT对应这样的猜想可能涉及一个支撑的客观现实，所有这些都需要某些异域的和未经证实的东西，比如调用额外的维度。(Credit: Alan Stonebraker/American Physical Society)

我们知道完整的物理系统对模拟任何种类的健壮的准确性太困难和复杂，因此作者做了实际上所有理论物理学家会做的：他们建模了一个更简单的全问题的近似，这个想法是通过模拟这个简单的近似，许多会是一个“真正的虫洞”的关键属性将仍然坚持。部分是因为我们实际上能用当前技术模拟的限制，部分是因为按照我们能创建的模型质量人类存在物多有限的，机器学习被用来设计实验设置。按照本论文的合著者、加州理工学院的玛丽亚·斯皮罗普鲁：

“我们应用了学习技术来寻找并准备一个简单的[模拟]量子系统，它可以以当前的量子架构编码，这将保守[需要的]属性……我们简化了模拟量子系统的微观描述并研究了我们在量子处理器上造成的有效模型” 。

实验再次表明了就像早期的实验一样，量子信息从一个量子系统旅行到另一个量子系统：另一个量子隔空传输的例子。

世界上许多基于纠缠的量子网络，包括扩展进空间的网络正在被开发来利用量子隔空传输、量子中继器和网络的诡异现象以及量子纠缠的其他实际方面。量子态是从一个位置“剪切和粘贴”到另一个位置，但不能在不破坏原始状态被克隆、复制或“移动”。(Credit: S.A. Hamilton et al., 70th International Astronautical Congress, 2019)

真实的宇宙和这个“量子虫洞”模拟之间的联系

我们为什么要关心这项工作，如果有任何的话，它教我们关于虫洞和一台量子计算机能做的模拟类型之间的联系吗？

通常清醒的《量子》杂志对在量子计算机上进行的模拟进行了准确、深入的描述，但在这方面完全错过了机会，正如许多其他人很快正确指出的那样。

首先，量子计算机的使用没有教我们任何从用经典的计算机和手工计算我们学不到的东西（而且事先也不知道！）。事实上，唯一的新颖的东西是被这个量子计算专家和理论物理学家团队完成的，他们能够用机器学习成功地简化一个以前复杂的问题变成一个在量子计算机使用少量的量子比特可以模拟的。这是一项令人印象深刻的技术成就，也值得人们的称赞。

AdS/CFT对应是全息原理的最著名的例子，它声称一个空间区域的内部体积和在该空间表面上的属性之间一个物理对应性。其他的例子提供有一定物理相关性的数学游乐场，但这些类比从根本上被它们描述它们所建模的系统的准确性限制。(Credit: APS/Alan Stonebreaker)

但相反，许多人正在庆祝因为它不是的的这一成就：虫洞与我们的物理宇宙有任何关联的证据以及/或这个量子模拟提供一个探究虫洞怎样在我们的宇宙中行为的证据的窗口。

这里是一些你应该知道关于新吹捧的研究实际上做了什么（和没有做什么）的真实的事情。

确实在他们的模拟中只使用了9个量子比特。9量子比特意味着编码的量子波函数最多需要512（因为2＾9 = 512）个复数来描述它，这是一个足够简单的很容易地在经典计算机上模拟的波函数。事实上，它被这些研究人员在量子计算机上进行模拟之前在经典计算机上进行！（其结果与2022年量子计算过程中产生的量子误差的限制相同。）

换句话说，从在一台量子计算机上执行这个模拟没有学任何东西，除了他们正在期望来看的行为在这个简单的9量子比特模拟中甚至坚持了。虽然沿着条途径对未来的模拟这预示好的，但除了提供显示量子计算机的一些潜力之外它没有提供任何深刻的、基本的洞察。

这个一个安装在一个超导低温恒温器中的悬铃木处理器的再现说明谷歌的量子计算机在目前看的样子。虽然量子比特比经典计算机提供一些计算优势，但在一台量子计算机上基本上能被模拟的没有任何东西不能在一台经典计算机上模拟。(Credit: Forest Stearns, Google AI Quantum Artist in Residence)

如此关于到虫洞的联系是什么呢？你知道广义相对论内基于引力的虫洞可能实际上适用于我们真实的物理宇宙吗？

这是它能获得的关于最推测的。首先，它假设全息原理------这声明在一个空间体积内的所有物理属性都能被编码在该空间的一个更低维度边界上------实际上是一种尚未被发现的引力的量子理论的属性。第二，不是用是既成的一个定义了空间边界的5d反德西特空间和四维保形场理论之间的数学等价Ads/CFT对应，而是用他们提议的萨克德夫-耶-基塔耶夫模型（Sachdev-Ye-Kitaev）和一个二维反德西特空间之间的对应。

这是一个嘴的，但这意味着他们在“我们的宇宙”中建模引力为有一个时间维度、一个空间维度和一个负的宇宙常数，然后采用一个可能是数学上等价的描述（萨克德夫-耶-基塔耶夫模型）并相反模拟了这个。他们观察到的一些属性类似于一些一个可穿越的虫洞的行为被预计来展示的，但这没有提供探究一个可穿越的虫洞在我们实际的宇宙中怎样被广义相对论（以三个空间和一个时间维度和正的宇宙常数）管理会行为的。

如果你要模拟一个虫洞就像它可能实际存在于我们的宇宙中的一样，你的仿真或模拟系统必须被显示被我们的宇宙玩的相同规则来玩。如果它们玩不同的规则，观察到的行为就不能被期望与在我们的宇宙内发生的是类似的。Credit: yongqiang via Adobe Stock

这里没有被学到的关于量子引力的教训。没有关于可穿越的虫洞或是否它们存在于我们的宇宙内的教训。甚至没有任何关于量子计算机的独特性或能力的教训，因为在量子计算机上做的一切都能被在古典电脑上完成并且以前已经做过（没有错误！）。人们能得到的最好的结果是研究人员在通过经典方法执行萨克德夫-耶-基塔耶夫模型的详细的计算后，能够在一台量子计算机上进行一个类似的实际返回信号而不仅仅是量子噪声的计算。

但是获得真的的时候了。如果你要研究一些与我们的宇宙相关的东西，那么用一个我们的宇宙实际上类似的框架。如果你仅正在做一个模拟系统，关于模拟系统和这个系统的限制要诚实；不要假装它就像你正在过度简化的东西一样。不要引导人们走上一厢情愿的道路；这项研究永远不会导致一个真正的虫洞的创造，也不比自旋冰实验提出“磁单极子存在”一样提出“虫洞存在”。

虫洞和量子计算机可能对物理学家都是难以置信感兴趣的话题，对萨克德夫-叶-基塔耶夫模型的进一步探究可能会继续。但是虫洞和量子计算机之间的联系实际上是不存在的，而这项研究------尽管炒作------绝对没有改变关于这个事实的任何。

https://bigthink.com/starts-with-a-bang/wormholes-quantum-computers/