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科学家利用量子计算机成功模拟虫洞

连接两个时空的虫洞示意图。（Shutterstock）

物理学家、数学家、天文学家，甚至电影制片人一直对虫洞的概念着迷：这是一种不可预测并且捉摸不定的现象，据信它会在时空中创造隧道以及两个遥远地点之间的捷径。另一种理论认为，如果以正确的方式连接两个黑洞，就可以创造一个虫洞。

研究虫洞（wormhole）就像玩拼图游戏，但却不知道目标图片看起来什么样。如果周围拼图都已完成，你也许可以据此猜到中心缺失的那一块应该是什么，不过你并不会100%确定它是否正确。

就虫洞而言，那是因为目前还没有证据表明虫洞是否确实存在于宇宙空间中。不过，科学家在数学上求解理论物理学基本方程的过程的确表明应该存在虫洞这样一种东西。

为了循此途径进一步去了解这类神奇天体的特性，来自加州理工学院、哈佛大学、麻省理工学院、费米实验室和谷歌的研究人员在位于同一处理器上的两个量子系统之间创建了一个小的“虫洞”效应。更重要的是，该团队还在两系统之间发送了信号。

虽然他们创造的并不是真正的时空隧道，但该系统确实模仿了已知的虫洞动力学。就物理学家通常考虑的属性而言，如正能量或负能量、引力和粒子行为，这个计算机模拟系统实际上工作起来就像一个小虫洞。该团队在新闻发布会上表示，该模型是一种在实验室环境中研究宇宙基本问题的方法。描述该系统的论文发表在11月30日的《自然》杂志。

加州理工学院物理学教授玛丽亚‧斯皮罗普卢（Maria Spiropulu）在一份新闻稿中说：“我们发现了一个量子系统，它展示了引力虫洞的关键特性，但又足够小，可以在当今的量子硬件上实现。”“这项工作朝着使用量子计算机测试量子引力物理学方面迈出了一步。”

量子引力是一套理论，将引力规则和量子力学结合在一起。目前尚无精确的方程来描述宇宙中的量子引力。

大约100年来，科学家们一直在思考引力和虫洞之间的关系，但直到2013年，量子纠缠才被认为是其中的一个因素。2017年，另一组科学家提出，可穿越的虫洞有点像“量子隐形传态”（quantum teleportation）——信息利用量子纠缠原理在太空中传输。

在最新的实验中，谷歌的Sycamore量子处理器中仅运行9个量子比特，该团队使用机器学习建立了一个简化版本的虫洞系统，它“可以在当前量子架构下被编码，并保留引力特性，”斯皮罗普卢解释道。实验表明，信息以量子比特的形式可以通过一个系统发送并以正确的顺序重新出现在另一个系统上——一种类似虫洞的行为。

那么研究人员如何在一个盒子里建立一个有自己特定规则和几何属性的小宇宙呢?根据谷歌的说法，不同物理理论之间的一种特殊类型的对应使科学家们能够构建一个类似全息图一样的宇宙，在那里他们可以“将宇宙空间内的物体与宇宙表面上彼此相互作用的一组量子比特联系起来，”研究人员在一篇博文中写道。“这允许量子处理器直接与量子比特一起工作，同时提供对时空物理学的洞察力。通过仔细定义量子计算机的参数来模拟指定的模型，我们可以观察黑洞，甚至可以更进一步观察两个相互连接的黑洞，此即虫洞的配置。”

研究人员使用机器学习找到了完美的量子系统，该系统将保留一些关键的引力特性，并保持模型所需要描绘的能量动力学。此外，他们还必须模拟被称为费米子的粒子。

该团队在新闻发布会上指出，强有力的证据表明：我们的宇宙按照与在量子芯片上观察到的全息宇宙相似的规则运行。研究人员在谷歌博文中写道：“引力只是量子计算机探索复杂物理理论独特能力的一个例子，量子处理器还可提供对时间晶体、量子混沌和化学的洞察力。