這一突破可能為研究“量子引力”提供了一種方法，即實驗室中量子物理學和愛因斯坦廣義相對論之間缺失的聯絡。

科學家們設計了一個量子實驗，使他們能夠研究蟲洞的動力學，蟲洞是理論時空實體，最早出現在阿爾伯特·愛因斯坦1915年的引力理論或廣義相對論中。

該團隊沒有建立一個實際的蟲洞，即理論上在一個遙遠的空間區域與另一個空間區域之間形成橋樑的時間和空間裂縫，而是建立了一個在量子處理器上執行的蟲洞模型。這使他們能夠研究蟲洞的物理學以及它們與所謂的“量子引力”的潛在聯絡。

“我們發現了一個量子系統，它表現出引力蟲洞的關鍵特性，但足夠小，可以在今天的量子硬體上實現。”美國能源部科學研究計劃基礎物理量子通訊通道（QCCFP）首席研究員Maria Spiropulu在一份宣告中說，“這項工作是朝著使用量子計算機測試量子引力物理學的更大計劃邁出的一步。

共同作者、加州理工學院研究生薩曼莎·戴維斯（Samantha Davis）在宣告中表示，“花了很長時間才得出結果”，研究小組對這一結果表明，類似蟲洞的行為可以從量子物理學和廣義相對論的角度來解釋，這讓研究小組感到驚訝。

Spiropulu也是加州理工學院的Shang-Yi Ch‘en物理學教授，他補充說，雖然這種新模型不能替代量子引力的直接探測，但它確實提供了一種在實驗室中研究量子引力思想的有力方法。

愛因斯坦的廣義相對論是科學家對真正大規模宇宙的最佳描述，而量子物理學是亞原子世界最準確的圖景。這個問題就像這兩個物理學領域自20世紀初成立以來變得如此強大，但它們並沒有聯合起來。

這是因為在量子物理學的尺度上沒有對引力的描述，而引力是廣義相對論的主要關注點。這使得“量子引力理論”的發現成為物理學家迫切關注的問題，也是物理學中長期追捧的“萬物理論”的關鍵。

該團隊的量子創造蟲洞可能是朝著這一任務的正確方向邁出的一步。

自1935年以來，科學家們一直在對蟲洞進行理論研究，當時阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）採用了他1915年的廣義相對論方程，並與美國 - 以色列物理學家內森·羅森（Nathan Rosen）一起將它們描述為穿越時空結構的隧道。

這些時空隧道獲得了“愛因斯坦-羅森橋”的綽號，後來被黑洞專家約翰·惠勒在1950年代命名為蟲洞。

在這張圖中，中心的超大質量黑洞被流向黑洞的物質包圍，被稱為吸積盤。（圖片來源：NASA/JPL-Caltech）

2013年，蟲洞和糾纏之間建立了聯絡，量子物理學的元素表明，兩個粒子可以以這樣的方式連線起來，無論它們相距多遠，改變一個都會立即改變另一個，即使它們位於宇宙的兩側彼此。

物理學家胡安·馬爾達西納（Juan Maldacena）和倫納德·薩斯金德（Leonard Susskind）將廣義相對論和量子物理學這兩個不同的世界聯絡起來，他們認為蟲洞等同於糾纏，因為它們都描述了宇宙遙遠區域之間的聯絡。“這是一個非常大膽和詩意的想法，”斯皮羅普盧說。

2017年，Maldacena和Susskind提出的想法得到了哈佛大學物理學家Daniel Jafferis及其同事的擴充套件。

他們發展了一個概念，其中負排斥能量使蟲洞保持足夠長的時間，以便某些東西從一端透過到另一端，從而建立一個可穿越的蟲洞。

可穿越蟲洞的概念類似於量子物理學的另一個特徵，即量子隱形傳態，它使用糾纏原理透過使用光纖或透過空氣來遠距離傳輸資訊。

目前的研究採用了蟲洞和量子隱形傳態之間的潛在聯絡，並更詳細地探索了它，因為加州理工學院領導的團隊進行了第一次實驗，這些實驗探索了從空間中的一個點傳播到另一個點的資訊可以使用廣義相對論建立的引力語言或透過量子糾纏 - 量子物理學的語言來描述。

科學家稱進出蟲洞的點為“嘴”，而隧道本身則稱為“喉嚨”。（圖片：Victor Habbick Visions Photo Library ）

該團隊透過開發一個嬰兒Sachdev-Ye-Kitaev（SYK）量子系統並將其與另一個SYK系統糾纏在一起開始工作，從而建立了一個保留引力特性的模型。

然後將該模型簡化為簡化形式，並在傳統計算機上進行機器學習，之後科學家們可以在谷歌的Sycamore量子處理器上觀察類似蟲洞的動力學。

“我們採用學習技術來尋找和準備一個簡單的類似SYK的量子系統，該系統可以在當前的量子架構中編碼，並將保持引力特性。”Spiropulu說，“換句話說，我們簡化了SYK量子系統的微觀描述，並研究了我們在量子處理器上發現的有效模型。

在實驗中，該團隊將量子位元（量子計算的基本單位，相當於傳統計算中的標準位元）引入其中一個SYK。然後他們看著另一個SYK出現的資訊。

這意味著資訊從一個量子系統傳播，並透過量子物理學語言中的量子隱形傳態從另一個量子系統出現。然而，用重力的語言來說，這複製了穿越蟲洞的旅程。

可穿越蟲洞的關鍵特徵只有在團隊試圖使用排斥負能量脈衝支撐他們的時空橋樑模型時才表現出來。這反映瞭如果發現真正的蟲洞存在，它們在太空深處的表現。

該團隊進行的測試是同類實驗中的第一個，只有透過使用谷歌量子處理器的高保真度才能實現。

“如果錯誤率高出50%，訊號就會完全被遮擋。如果他們是一半，我們將有10倍的訊號！斯皮羅普魯說。“令人好奇和驚訝的是，對模型的一個特徵的最佳化如何保留了其他指標。我們計劃進行更多測試，以更好地瞭解模型本身。

這些未來的測試將涉及將工作轉移到更復雜的量子電路上 - 儘管全量子計算機的出現可能還需要數年時間才能實現。

“量子糾纏，時空和量子引力之間的關係是基礎物理學中最重要的問題之一，也是理論研究的一個活躍領域，”Spiropulu總結道。“我們很高興能夠在量子硬體上邁出這一小步，並將繼續前進。

該團隊的研究將於週四（12月1日）發表在《自然》雜誌上

。

TAG: 量子引力物理學SYK相對論