借助量子計(jì)算機(jī)?歌?次構(gòu)造“?洞”并實(shí)現(xiàn)穿越

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

這些影視劇中，可能《星際穿越》中對(duì)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(guò)科學(xué)家們構(gòu)造的高維度“蟲(chóng)洞”實(shí)現(xiàn)了穿越，甚至與另外一個(gè)時(shí)空的自己進(jìn)行交流。那么到底什么是“蟲(chóng)洞”呢？

“蟲(chóng)洞”又稱愛(ài)因斯坦-羅森橋，是將宇宙中兩個(gè)遙遠(yuǎn)區(qū)域進(jìn)行相互連接的理論時(shí)空橋梁。在1935年，愛(ài)因斯坦與他的研究助理羅森在試圖拓展廣義相對(duì)論到一個(gè)更高級(jí)的統(tǒng)一理論時(shí)，在偶然間從理論上預(yù)測(cè)了“蟲(chóng)洞”的存在。但是，在此之前還從未在實(shí)驗(yàn)中還沒(méi)有真正看到或觀察到它們。

為探索“蟲(chóng)洞”的動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)，美國(guó)能源部科學(xué)辦公室基礎(chǔ)物理學(xué)量子通信首席研究員，同時(shí)也是美國(guó)加州理工學(xué)院教授的瑪麗亞·斯皮羅普盧所領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)與美國(guó)谷歌公司一同合作，在QCCFP項(xiàng)目的資助下利用谷歌公司旗下著名的量子計(jì)算機(jī)懸鈴木上首次實(shí)現(xiàn)了“蟲(chóng)洞”實(shí)驗(yàn)，通過(guò)量子計(jì)算機(jī)構(gòu)建一種“蟲(chóng)洞”通道進(jìn)行了量子糾纏態(tài)的不同位置傳送。

該實(shí)驗(yàn)證明了量子物理與廣義相對(duì)論之間的關(guān)系，同時(shí)也表明了量子計(jì)算機(jī)在復(fù)雜物理理論研究中的優(yōu)越性，相關(guān)成果以《量子計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)可穿越蟲(chóng)洞行為》發(fā)表于《自然》雜志，并在封面進(jìn)行了重點(diǎn)報(bào)道。

根據(jù)作者介紹，該成果的實(shí)現(xiàn)是在大量先前理論研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。阿列克謝·基塔耶夫在2015年就曾提出一個(gè)簡(jiǎn)單的費(fèi)米子的量子動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，命名為Sachdev-Ye-Kitaev（SYK）模型，SYK模型表明量子動(dòng)力學(xué)行為可以表現(xiàn)為一種全息的量子重力效應(yīng)，并提出可以在量子計(jì)算機(jī)上完成量子引力實(shí)驗(yàn)。

2019年一項(xiàng)研究表明，通過(guò)量子糾纏原理構(gòu)建兩個(gè)SYK模型，人們應(yīng)該能夠進(jìn)行量子信息的“蟲(chóng)洞”傳送，產(chǎn)生并測(cè)量空間中可穿越的蟲(chóng)洞所期望的動(dòng)力學(xué)特性。在廣義相對(duì)論中，如果正負(fù)能量波動(dòng)平衡，則沒(méi)有東西可以通過(guò)蟲(chóng)洞。但是如果存在一種負(fù)能量沖擊波就有希望將“蟲(chóng)洞”撐開(kāi)，從而實(shí)現(xiàn)穿越性。

在上述理論的基礎(chǔ)上，該聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)利用谷歌的懸鈴木量子計(jì)算機(jī)的9個(gè)量子比特位，量子位被可視化為波函數(shù)。在構(gòu)建一個(gè)類似SYK的系統(tǒng)中插入了一個(gè)量子比特信息，同時(shí)就可以同一個(gè)量子處理器上觀察到從另一個(gè)類似SYK的系統(tǒng)中出現(xiàn)類似的信息，說(shuō)明該量子比特信息通過(guò)量子糾纏構(gòu)建的“蟲(chóng)洞”實(shí)現(xiàn)了穿越。

雖然本次研究所構(gòu)建的“蟲(chóng)洞”是一個(gè)二維條件下的，但是該過(guò)程的動(dòng)力學(xué)被認(rèn)為與二維反西特（AdS）時(shí)空中的量子系統(tǒng)“蟲(chóng)洞”的預(yù)期行為一致。

在Sycamore量子計(jì)算機(jī)上，在應(yīng)用負(fù)能量沖擊波和正能量沖擊波的條件下，來(lái)測(cè)量不同SYK系統(tǒng)中量子信息的傳遞數(shù)量的不同。當(dāng)使用負(fù)能量沖擊波時(shí)，有更多的量子信息被傳遞。

換句話說(shuō)，也就是量子糾纏信息在量子計(jì)算機(jī)傳輸時(shí)的動(dòng)力學(xué)特征與量子糾纏信息穿過(guò)“蟲(chóng)洞”時(shí)的量子動(dòng)力學(xué)特征是相同的。由于該協(xié)議對(duì)噪聲的敏感性，所使用的量子處理器的高保真度是至關(guān)重要的。

不同于以往的研究工作中是利用量子計(jì)算機(jī)其高量子比特位下的高速運(yùn)算能力，例如基于量子計(jì)算的分子結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)等研究。但是，這次研究是直接利用量子計(jì)算機(jī)中的量子行為來(lái)實(shí)現(xiàn)量子傳輸“蟲(chóng)洞”的實(shí)驗(yàn)，通過(guò)量子計(jì)算機(jī)構(gòu)建一個(gè)高度糾纏的系統(tǒng)，并直接測(cè)量了物理系統(tǒng)的觀測(cè)數(shù)據(jù)。

而在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)上，人們只能通過(guò)大量計(jì)算來(lái)“模擬”這個(gè)系統(tǒng)，而沒(méi)有真正地創(chuàng)建這個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。這是量子計(jì)算機(jī)的物理屬性所決定的，除了強(qiáng)大計(jì)算能力之外還可以為研究量子動(dòng)力學(xué)行為提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的粒子物理學(xué)家瑪莉亞·斯皮羅普盧表示，這是在一個(gè)真正的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)量子引力想法的測(cè)試。

這項(xiàng)研究成果的意義是重大的，這項(xiàng)工作是在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中觀察可穿越“蟲(chóng)洞”動(dòng)力學(xué)的一次成功嘗試。相信在未來(lái)，量子計(jì)算機(jī)將繼續(xù)超越傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的經(jīng)典模擬的能力，并且將與物理系統(tǒng)規(guī)模相吻合，提供更多新角度的洞察方向，幫助科學(xué)家和人們更清晰地了解物理世界和自然運(yùn)行之道。（綜合整理報(bào)道）（策劃/小文）