量子計算模擬揭示了可能的蟲洞狀動力學

事實證明，要完全理解我們這個世界上發揮作用的許多基本的力量并不容易。包括哈佛大學物理系的 Daniel Jafferis 和加州理工學院的同行在內的一組研究人員進行的一項新實驗代表了我們對塑造宇宙的引力與支配宇宙的理論框架量子力學之間關系的看法邁出的一小步亞原子粒子的運動和相互作用。

100 多年來，對引力的普遍描述源于愛因斯坦的廣義相對論——引力與時空曲率有關。在過去的 25 年里，科學家們發現引力和量子力學之間存在著密切的聯系。在這些連接中有蟲洞，也被稱為空間的橋梁或隧道，愛因斯坦在 1935 年將其描述為可以連接兩個黑洞的時空通道。

Jafferis 的團隊進行了一項基于當前量子計算的實驗，以了解蟲洞動力學。“這是一個非常小的蟲洞的量子模擬，”Jafferis 說。“在此之前，還不清楚我們現在擁有的設備是否可以做到這一點。” 該研究發表在《自然》雜志上。

愛因斯坦的廣義相對論將蟲洞描述為兩個內部相連的黑洞，有東西可以從兩邊跳躍，在中間相遇，但都不能再出來——黑洞中眾所周知的陷阱。

“從 1930 年代開始，蟲洞內部連接起來是一個美妙的想法，但尚不清楚這個概念是否具有操作意義，”Jafferis 說。“但現在我們知道蟲洞配置確實有物理解釋；它對應于高度糾纏空間中的兩個獨立黑洞。”

近年來，科學家們建造了量子計算機等物理設備來創建模擬，他們可以在其中以受控方式操縱量子態的糾纏。Jafferis 的團隊想看看他們是否可以創建一個簡化的模型來模擬蟲洞的引力方面。他們能否制造一個量子系統，其中空間糾纏的模式在結構上屬于正確的類型，以至于它看起來像是通過蟲洞發送東西？

在實驗室實驗中，研究人員在兩側之間引入了連接，使蟲洞可以穿越。信號可以從一側發送到另一側，速度可能不會很快，但不會卡住。在量子語言中，這被稱為“量子隱形傳態”，一種使用共享糾纏發送量子信息的方式。“信息不是通過直接信號發送的，而是以一種使用糾纏的更微妙的方式發送的，”Jafferis 補充道。

該團隊從他們設備的一個區域中的量子位開始，這是簡單的一種量子空間。他們在計算機內的另一個固定糾纏空間中釋放了其他量子比特，總共九個量子比特。然后使用量子計算機的門操作將這兩個空間混合在一起。

接下來，他們使用數據操作根據某些動態解釋不斷發展的系統。一步是在量子位到達計算機的另一側后查看它。Jafferis 說：“我們詢問它是否與我們發送的相同，或者看起來是否不同。” “這是我們可以創建的簡單的量子電路，看看我們是否可以模擬蟲洞動力學。”

該團隊的終目標是了解有關量子系統引力描述的所有細節。“在有限的情況下，我們通過理論數學知道它是如何工作的，但我們不知道所有的答案，”Jafferis 說。“使用這個非常小的量子系統，我們認為這是朝著制造更大的系統邁出的步，在那里我們可以發現更多。”

這項研究得到了美國能源部科學辦公室的資助。