谷歌科學(xué)家利用量子計(jì)算機(jī)研究蟲洞

北京時(shí)間12月4日消息，谷歌的研究人員正在研究如何在實(shí)驗(yàn)室中探索一些只存在于理論上的奇特物理現(xiàn)象，比如連接兩個(gè)黑洞的蟲洞。

時(shí)至今日，推動(dòng)理論物理學(xué)發(fā)展的一個(gè)核心問題是，如何用同一個(gè)理論來解釋引力和量子力學(xué)——原子等微觀粒子遵循的規(guī)則。由于引力是一種極其微弱的力，所以用今天的技術(shù)，在最小的尺度上探測引力實(shí)際上是不可能的。但理論工作已經(jīng)暗示，“量子引力”可能會(huì)出現(xiàn)在特定的量子系統(tǒng)中，甚至有朝一日可以在實(shí)驗(yàn)室里制造出來。谷歌的物理學(xué)家就提出了這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)，假定一個(gè)在物理實(shí)驗(yàn)室中可再造的量子態(tài)，可以解釋為在兩個(gè)黑洞之間的蟲洞里穿越的信息。

研究作者在預(yù)印本網(wǎng)站arXiv上發(fā)表的論文中寫道：“由此，對(duì)這種情況的實(shí)驗(yàn)研究為更深入地理解量子引力提供了一個(gè)途徑?！?/p>

引力似乎就是無法與量子力學(xué)調(diào)和，而理論物理學(xué)家也一直在努力將這兩個(gè)概念串在一起。但是在某些地方，某些時(shí)候，這兩個(gè)概念必須同時(shí)存在，比如在黑洞表面或黑洞內(nèi)部，以及在大爆炸的那一刻。弦理論是將二者聯(lián)系起來的最流行的理論之一，它用在高維空間中振動(dòng)的微小弦代替亞原子粒子。弦理論存在于遠(yuǎn)小于粒子加速器探測范圍的尺度上，因此很難進(jìn)行檢測。然而，在20多年前，有科學(xué)家提出了名為“AdS/CFT對(duì)偶”的猜想，這個(gè)理論本質(zhì)上是說，你可以將這個(gè)高維世界中的高維引力，理解為由量子力學(xué)粒子產(chǎn)生的全息圖。因此，谷歌公司、加州理工學(xué)院、馬里蘭大學(xué)和阿姆斯特丹大學(xué)的物理學(xué)家研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，研究極端的量子行為或許將為弦理論的存在提供更有力的證據(jù)。也許量子計(jì)算機(jī)可以制造出能探測到弦理論的行為，或者類似蟲洞的現(xiàn)象。

近十年來最重要的物理學(xué)進(jìn)展之一，便是控制和操縱量子態(tài)的機(jī)器的發(fā)展，我們稱之為量子計(jì)算機(jī)和量子模擬器。最小的物體，比如繞原子運(yùn)動(dòng)的電子，只能具有特定的屬性值，但是當(dāng)你不觀察它們時(shí)，它們又可以同時(shí)具有不同的屬性值(當(dāng)你再次進(jìn)行測量時(shí)，它們又會(huì)回到只有一個(gè)屬性值的狀態(tài))。兩個(gè)或兩個(gè)以上的粒子也可能糾纏在一起，意味著它們和它們的性質(zhì)必須被描述為一個(gè)單一的數(shù)學(xué)對(duì)象，即使你把原子在空間中分開。

谷歌研究人員的提議是，用兩組相連的量子位(量子計(jì)算機(jī)的人工“原子”)來創(chuàng)建一個(gè)回路，并將其分成左、右兩個(gè)群組。輸入能量的脈沖在數(shù)學(xué)上相當(dāng)于讓量子位的狀態(tài)隨時(shí)間向后演化，而另一個(gè)脈沖則通過特定的方式改變左側(cè)原子的量子態(tài)，從而編碼“信息”。于是，這另一個(gè)脈沖就起到了加速量子位行為的作用。對(duì)于黑洞的類比而言，這種設(shè)定至關(guān)重要，因?yàn)樵跀?shù)學(xué)上，量子位之間信息的打亂就類似于粒子的屬性信息在進(jìn)入黑洞時(shí)被打亂，并可能丟失。一旦信息被打亂，左側(cè)的每個(gè)量子位就會(huì)與右側(cè)的鏡像量子位糾纏在一起。最后，經(jīng)過一段時(shí)間后，信息會(huì)神秘地在右側(cè)的量子位重新出現(xiàn)，而不需要任何解碼。

研究作者在論文中寫道：“這條信息(傳遞到系統(tǒng)另一端)的方式一點(diǎn)也不明顯，而最令人驚訝的事實(shí)是，最簡單的解釋存在于黑洞的物理學(xué)中?！毖芯咳藛T認(rèn)為，從本質(zhì)上，系統(tǒng)中量子位群組之間的信息傳遞類似于一條信息進(jìn)入黑洞，穿過蟲洞，然后從第二個(gè)黑洞中出現(xiàn)。然后，研究人員引入了一個(gè)數(shù)學(xué)框架來說明整個(gè)過程，以及它是如何與一個(gè)不會(huì)坍塌的可穿越蟲洞的進(jìn)行類比的。

根據(jù)這篇論文的描述，物理學(xué)家有可能在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)這一系統(tǒng)。一種可能的裝置是由原子的電子陣列組成，電子要么處于最低能量狀態(tài)，要么處于能量極高的“里德伯”狀態(tài)(Rydberg state)，由激光脈沖控制。另一種裝置由被捕獲的帶電離子陣列構(gòu)成。也許有一天，這其中的某個(gè)裝置就能實(shí)現(xiàn)由谷歌提出的實(shí)驗(yàn)。

簡單來說，科學(xué)家認(rèn)為他們可以通過量子計(jì)算機(jī)，在數(shù)學(xué)上模擬信息通過蟲洞在兩個(gè)黑洞之間的傳遞。顯然，地球上不可能產(chǎn)生蟲洞，因此這只是一個(gè)模型，和其他模擬系統(tǒng)一樣，只是因?yàn)樵搶?shí)驗(yàn)的數(shù)學(xué)描述看起來就像某個(gè)描述空間的理論。當(dāng)然，這并不意味著該理論就一定是正確的。這些模型只是為了提出更強(qiáng)有力的數(shù)學(xué)證據(jù)，證明某個(gè)理論可能是正確的。

這項(xiàng)工作建立在量子信息隨時(shí)間推移而打亂，以及這種打亂與黑洞之間的聯(lián)系之上。盡管如此，它還是讓物理學(xué)家興奮不已。不久前，數(shù)十名物理學(xué)家在谷歌X會(huì)議上討論了量子技術(shù)如何為量子引力研究人員所用?！奥牭竭@個(gè)實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，真的非常激動(dòng)人心，”紀(jì)堯姆·弗登(Guillaume Verdon)說，“研究量子引力將我?guī)肓肆孔佑?jì)算的夢(mèng)想?！?/p>

參與這項(xiàng)研究的馬里蘭大學(xué)物理學(xué)教授克里斯托弗·門羅(Christopher Monroe)表示，論文中描述的這種量子計(jì)算機(jī)即將問世，它可以創(chuàng)造出模擬蟲洞的熱場雙態(tài)量子位。他自己的團(tuán)隊(duì)正在研究捕獲離子的量子計(jì)算機(jī)，他希望能夠盡快使其成為一個(gè)平臺(tái)，在上面創(chuàng)建測試這些想法所需的量子態(tài)。他說：“像這樣的論文激勵(lì)著我們，并推動(dòng)我們?cè)诖髮W(xué)、公司和政府實(shí)驗(yàn)室里建立這些(模型)?！?/p>