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    標題 史上第一個！能用來穿梭時空的蟲洞 被量子計算機造出來了
    分類 熱點事件
    內容 *** 次數：60000 已用完，請聯系開發者***

    能用來 " 時空穿梭 " 的蟲洞，竟然被谷歌量子計算機創造出來了？

    就在剛剛，全息蟲洞研究登上 Nature 封面，還被 Quanta Magazine 稱為 " 有史以來創造出的第一個蟲洞 "。

    此前在 2019 年，谷歌的研究人員就在實驗室里搗鼓蟲洞相關研究了。

    沒想到現在，科學家們不僅創造出了蟲洞，還觀察到了信息在蟲洞之間傳遞的現象——

    他們在一個 9 量子位電路上，構造了一個稀疏 Sachdev-Ye-Kitaev（SYK）模型，并觀察到了蟲洞的特征。

    不過，先別急著幻想 " 空間跳躍 "。

    與我們想象中的引力蟲洞不同，這個蟲洞是量子蟲洞，并不能穿越時空。

    這次全息蟲洞的進展，在于成功地將量子態通過蟲洞，由一個量子系統傳遞到了另一個量子系統。

    方法已經明了，具體要怎么觀測呢？

    2D 時空 " 簡化版 " 蟲洞

    蟲洞是愛因斯坦和內森 · 羅森提出的一種理論，被假設為黑洞和白洞的連接。

    它就像是一個通道一樣，其特性是可以在另一邊得到一個所謂的 " 鏡射宇宙 "。

    但隨著研究的深入，蟲洞也被分成了很多類型。

    人們想象中可以做時空旅行的 " 引力蟲洞 "，更直觀的稱呼是 " 時空洞 "；至于量子態的量子蟲洞，則被稱之為 " 微型蟲洞 "，兩者有很大的差異。

    所以，為什么科學家們要這么執著于研究量子蟲洞？

    這是因為，廣義相對論和量子力學雖然各自都發展了很長一段時間，但它們之間仍然有一個根本性的 " 沖突 " ——

    量子引力。

    這兩個學說對量子引力的理論沒有達成一個共識，解決辦法之一就是證明全息原理（holographic principle），即用一個低維量子系統來描述一個涉及引力的系統。

    全息原理中一個非常熱門的實現就是 AdS/CFT 對偶（反德西特 / 共形場論對偶），它將量子場論和量子引力兩種理論聯系在了一起。

    如果能想辦法證明 AdS/CFT 理論猜想，那么就相當于證明了全息原理，進而將量子引力研究推動一大步。

    這次登上 Nature 封面的 " 蟲洞 "，也是通過谷歌量子計算機模擬出來的量子蟲洞，而且還是二維時空的。

    6388ab808e9f09196d4d6f0c_10242452.jpg基于 AdS/CFT 這套理論，2019 年谷歌的物理學家們提出了一種實驗假說，認為一個在物理實驗室中可以再造的量子態，能被解釋為在兩個黑洞之間的蟲洞中穿越的信息。

    現在，來自谷歌、MIT、費米實驗室和加州理工學院的科學家們，用 9 個量子位、1 臺量子計算機模擬出了對應的量子動力學。

    在同一個量子芯片中，他們創建了兩個糾纏的量子系統，并將一個量子位放入其中一個量子系統。結果，他們在另一個量子系統中觀察到了這個量子位 " 穿越蟲洞 " 而來的信息，結果符合預期的引力性質。

    但對于這次谷歌量子計算機模擬出來的蟲洞，在學術界引起了挺大的爭論。

    一方認為它對正在研究的理論幫助不大：

    荷蘭拉德堡德大學量子引力理論學家 Renate Loll 認為，這次的蟲洞實驗探討的只是二維時空中的情況，即在一維空間 + 一維時間的情況下展開研究。

    6388ab808e9f09196d4d6f0d_10242452.jpg△二維時空模擬蟲洞

    但在我們實際生活的四維時空（三維空間 + 一維時間）中，量子引力卻要更為復雜：

    做這種實驗，容易讓人們陷入 2D 玩具模型（一種刻意簡化的模型）的研究中，反而忽視了四維時空和二維時空中量子引力的差異。

    我看不出量子計算機對于（我們正在研究的）理論有多大幫助……不過如果我是錯的，我很樂意接受糾正。

    另一方則認為，雖然二維時空和四維時空存在不同，但這次實驗仍然可以獲取不少 " 通用 " 的經驗。

    而且隨著這個全息蟲洞的出現，還會有更多蟲洞被模擬、被進一步仔細研究。

    那么，這個蟲洞究竟是怎么被模擬出來的？

    這個蟲洞是如何模擬的？

    要了解這個蟲洞的產生過程，時間不得不順著研究往前推移。

    故事至少從 2013 年開始講起。

    當年的一次會議后，來自哈佛大學的 Daniel Jafferis ——蟲洞傳送協議的首席開發者，也是本篇 Nature 封面的合著者——有了一個想法：

    通過推測的對偶性，可以經由調整糾纏模式來設計特定的蟲洞。

    具體而言，可以設想在兩組糾纏粒子之間，穿上一根電線或其它任何的物理連接，讓粒子們編碼出蟲洞的兩個口。

    在這種耦合作用下，操作其中一側的粒子，會引起另一側粒子的變化。

    這樣就有可能在兩側粒子之間撐開一個蟲洞。

    說干就干。Jafferis 聯手當時哈佛的研究生 Ping Gao，以及訪問學者 Aron Wall 開始進行研究。

    直到 2016 年，三人最終計算得出：

    通過耦合兩組糾纏粒子，當在左側的那組粒子上執行一個操作后，在對偶高緯時空圖像中，打開通往右側的蟲洞口，可以推動一個量子位從中通過。

    他們發現的這個蟲洞，是全息的、可穿越的。

    幾個月后研究人員進一步證明了，可穿越蟲洞可以在一個簡單的環境中實現。

    而量子系統就是一個足夠簡單、又可以嘗試制造的 " 簡單環境 "。

    說到這里，需要引入一個新概念：SYK（Sachdev-Ye-Kitaev）模型。

    簡單理解一下，SYK 模型是一個物質粒子的系統，以群體的形式相互作用，并且這個模型在 2015 年被發現是全息的。

    量子引力理論家 Juan Maldacena 和合作者提出，兩個 SYK 模型連接在一起，可以對 Jafferis 的可穿越蟲洞的兩個口進行編碼。

    到了 2019 年，Maldacena 和伙伴們找到一個具體的方法，可以將一個量子位信息，從一個四向相互作用的粒子系統傳送到另一個粒子系統。

    在對偶時空圖中，旋轉所有粒子的自旋方向，會轉化為一種橫掃蟲洞的負能量沖擊波。

    沖擊波能把量子位向前推動，還能在可預測的時間點把量子位踢出蟲洞。

    好了，說回 Jafferis 和他的研究。

    2018 年，Jafferis 本人和許多谷歌量子人工智能（Google Quantum AI）的研究人員，一同加入了一個實驗粒子物理學家的研究團隊。

    團隊核心領導者參與了希格斯玻色子的發現（2012 年）。

    實驗團隊的主要工作是 " 如何使用量子計算機進行全息量子引力實驗 "。

    要知道，量子計算機雖然先進，但是仍然很容易出錯。

    要在上面運行 Jafferis 的那個蟲洞傳送協議，實驗團隊必須搞出協議的超級簡化版本。

    為什么呢？

    因為一個完整的 SYK 模型，由幾乎無限多的粒子組成。

    當四向相互作用貫穿模型始終，這些粒子會以隨機強度相互耦合。

    因此，想要計算完整過程，幾乎是天方夜譚。

    為了將協議大大簡化，實驗團隊稀疏化了 SYK 模型，只編碼其中最強的四向相互作用（忽略其余的），同時保留模型的全息性質。

    稀疏化的想法來自 ML，即試圖通過把盡量多的權值設置為零，來限制神經網絡中信息的細節。

    與之類比，團隊把一個大量子系統看作一個神經網絡，通過反向傳播更新系統的參數，一是保持重力特性，二是縮減系統的大小。

    6388ab808e9f09196d4d6f0e_10242452.jpg△學習制造稀疏量子系統捕捉引力動力學的過程

    花費幾年時間，團隊終于利用上述的 " 聰明辦法 "，創建了這個只需要 7 個量子位和數百個操作的全息蟲洞。

    團隊成員把 SYK 模型的粒子相互作用，映射到神經網絡的神經元之間的連接上，并訓練系統在保留蟲洞特征的同時，盡量刪除網絡連接。

    如此一來，四向相互作用的次數，從幾百次驟減到 5 次。

    事情突然變得（相對）簡單了起來，實驗團隊開始編寫 Sycamore 的量子位。

    7 個量子位編碼 14 個（左、右 SYK 模型各 7 個）物質粒子，左邊的每個粒子都和右邊的一個粒子糾纏。

    第 8 個量子位處在狀態 0 和 1 的概率組合中，然后與左邊 SYK 模型中的一個粒子減緩。

    這個量子位的可能狀態很快就會與左邊其它粒子的狀態糾纏在一起，它的信息會很均勻地散布在他們中間，就像一滴墨水滴在水里然后均勻擴散開。

    緊接著，旋轉所有的量子位的自旋方向，與負能量沖擊波橫掃蟲洞相對，這會導致從左側 SYK 模型進入的量子位，轉移到右側 SYK 模型。

    它們會重新聚焦在右邊的一個粒子（左邊粒子被交換后的糾纏對象）所在的位置。

    然后要做的，就是測量這些量子位的狀態，并將統計數據和從左側進入的量子位的準備狀態相比較，來證明量子位有沒有從左到右被傳送過來。

    如果以一言以蔽之，那就是：

    通過全息原理從量子信息的語言翻譯成時空物理學，讓一個粒子落入蟲洞的一邊，并觀察它在另一邊是否出現。

    實驗團隊在上述數據中，尋找代表兩種情況的峰值。

    如果能夠看到峰值，就意味著雙負能量沖擊波的量子位旋轉，允許量子位傳送；而雙正能量沖擊波的相反方向旋轉，不允許量子位傳送（而且還會導致蟲洞關閉）。

    兩年時間，實驗團隊一直在逐步改進，降低實驗噪音。

    這一點對測量信號至關重要，因為即使是 1.5 倍的噪音也會完全掩蓋信號。

    今年 1 月份的深夜，在團隊成員的電腦屏幕上，峰值出現了！

    6388ab808e9f09196d4d6f0f_10242452.jpg在峰值截圖旁，這名實驗者寫下：

    我認為我們現在看到了一個蟲洞。

    這個峰值是 " 第一個在量子計算機上可以看到的量子引力的跡象 "。

    團隊核心人物驚訝極了，清晰又明顯的峰值，讓她跟當初看到希格斯玻色子的數據時一樣激動不已。

    更重要的是，雖然這個蟲洞結構簡單，團隊還是探測到了蟲洞動力學的第二個特征，即 " 尺寸纏繞 "（size-winding）。

    這是信息在量子位之間傳播和不傳播的微妙模式。

    目前，實驗團隊還沒有訓練神經網絡來保存這個信號，因為這個信號讓 SYK 模型稀疏化了。

    當然，這次的實驗也發現了另一個事實：無論 SYK 模型如何，尺寸纏繞這一特征都會出現。

    這般如此，如此這般，耗費數年時間，這個蟲洞終于由谷歌量子計算機模擬了出來 ~

    6388ab808e9f09196d4d6f10_10242452.jpg不得不說，量子計算機是一種探索量子重力理論的工具。

    這個工作，僅僅代表著使用量子計算機探究物理學的其中一個步驟。

    盡管存在爭議，但是這項前所未有的實驗，探索了時空以某種方式從量子信息中產生的可能性。

    隨著量子裝置的不斷改進，錯誤率會更低，芯片會更強，那么對引力現象的研究也會更加深入。

    而引力只是量子計算機探索復雜物理理論的獨特能力的一個范例，量子計算機還能對時間晶體、量子混沌和化學進行洞悉和觀察。

    所以說，遇事不決，果然是可以量子力學的啊～

         史上第一個！能用來穿梭時空的蟲洞 被量子計算機造出來了 乘虛而入愁眉苦穿梭往來臉10. 記憶是一朵浸泡在水里的白色含笑，盈盈地沾了滿把的水分，只是輕輕地觸碰，枯澀就這樣肆無忌憚地溢上來，措手不及。報告將在10月12日3：30在報告廳舉行。252.春潮帶雨晚來急，野渡無人舟自橫。韋應物《滁州西澗》    卜算子　蘇軾東船西舫悄無言，唯見江心秋月白。量子位,量子計算機,谷歌,神經網絡8.Experience is the mother of wisdom. 實踐出真知。
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