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据称，物理学家创造了有史以来第一个虫洞，这是一种隧道，由阿尔伯特·爱因斯坦和内森·罗森于 1935 年提出理论，通过进入额外的空间维度从一个地方通向另一个地方。
虫洞就像一个全息图，由存储在微型超导电路中的量子比特信息或“量子比特”组成。 通过操纵量子比特，物理学家随后通过虫洞发送信息，他们 今天报道 在杂志 自然.
团队，由 玛丽亚·斯皮罗普卢 加州理工学院的，使用谷歌的量子计算机实施了新颖的“虫洞隐形传态协议”，这是一种名为 Sycamore 的设备，位于加利福尼亚州圣巴巴拉的谷歌量子人工智能中。 正如 Spiropulu 所描述的那样，凭借这种史无前例的“芯片上的量子引力实验”，她和她的团队击败了一群相互竞争的物理学家 谁打算做虫洞隐形传态 IBM 和 Quantinuum 的量子计算机。
当 Spiropulu 看到表明量子比特正在穿过虫洞的密钥签名时，她说：“我被震撼了。”
该实验可以被视为全息原理的证据，这是一个关于基础物理学、量子力学和广义相对论的两大支柱如何结合在一起的全面假设。 自 1930 年代以来，物理学家一直在努力调和这些互不相干的理论——一个是原子和亚原子粒子的规则手册，另一个是爱因斯坦关于物质和能量如何扭曲时空结构从而产生引力的描述。 自 1990 年代以来方兴未艾的全息原理在两个框架之间提出了数学等价或“对偶性”。 它说广义相对论描述的弯曲时空连续体实际上是一个伪装的粒子量子系统。 时空和引力从量子效应中产生，就像 3D 全息图从 2D 模式中投射出来一样。
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事实上，新实验证实了我们可以在量子计算机中控制的那种量子效应，可以产生我们期望在相对论中看到的现象——虫洞。 Sycamore 芯片中不断发展的量子位系统“有这个非常酷的替代描述，”说 约翰·普里斯基尔，加州理工学院的理论物理学家，没有参与实验。 “你可以用一种非常不同的语言将系统视为引力。”
需要明确的是，与普通的全息图不同，虫洞不是我们可以看到的。 根据合著者的说法，虽然它可以被认为是“真实时空的细丝” 丹尼尔·贾弗里斯 哈佛大学的虫洞传送协议的主要开发者，它与我们和 Sycamore 计算机所处的现实不同。 全息原理表明，这两种现实——有虫洞的现实和有量子比特的现实——是同一物理学的不同版本，但如何概念化这种二元性仍然是个谜。
对于结果的基本含义，意见会有所不同。 至关重要的是，实验中的全息虫洞由与我们自己宇宙的时空不同的时空组成。 该实验是否进一步证明了我们居住的时空也是全息的、由量子比特图案化的假设，这一点值得商榷。
Jafferis 说：“我认为我们宇宙中的引力确实是从一些量子 [bits] 中产生的，就像这个小婴儿一维虫洞是从 Sycamore 芯片中产生的一样。” “当然，我们不确定。 我们正在努力了解它。”
进入虫洞
全息虫洞的故事要追溯到1935年发表的两篇看似毫无关联的论文： 一种 由爱因斯坦和罗森，称为 ER， 其他 由他们两人和被称为 EPR 的鲍里斯·波多尔斯基 (Boris Podolsky) 共同完成。 ER 和 EPR 论文最初都被判断为大 E 的边缘作品。现在已经改变了。
在 ER 论文中，爱因斯坦和他年轻的助手罗森在试图将广义相对论扩展为万物统一理论时偶然发现了虫洞的可能性——不仅描述了时空，还描述了悬浮在其中的亚原子粒子。 1916 年，在爱因斯坦发表该理论仅几个月后，德国物理学家兼军人卡尔·史瓦西 (Karl Schwarzschild) 在广义相对论的褶皱中发现了时空结构中的障碍，他们就着手研究了这些障碍。 史瓦西表明，质量可以通过引力吸引自己，以至于它无限地集中在一个点上，在那里急剧弯曲时空，以至于变量变成无限大，爱因斯坦的方程式出现故障。 我们现在知道这些“奇点”存在于整个宇宙中。 它们是我们既无法描述也无法看到的点，每一个点都隐藏在一个黑洞的中心，黑洞以引力捕获附近所有的光。 奇点是最需要量子引力理论的地方。
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爱因斯坦和罗森推测，史瓦西的数学可能是将基本粒子插入广义相对论的一种方法。 为了让这幅画发挥作用，他们从他的方程式中剔除了奇点，换入了新变量，用滑向时空另一部分的超维管取代了尖点。 爱因斯坦和罗森错误但有先见之明地认为，这些“桥”（或虫洞）可能代表粒子。
具有讽刺意味的是，在努力将虫洞与粒子联系起来时，两人并没有考虑他们两个月前在 EPR 论文中与波多尔斯基发现的奇怪粒子现象：量子纠缠。
当两个粒子相互作用时，就会产生纠缠。 根据量子规则，粒子可以同时具有多种可能的状态。 这意味着粒子之间的相互作用有多种可能的结果，这取决于每个粒子开始时所处的状态。 不过，它们的结果状态总是相关联的——粒子 A 的结局取决于粒子 B 的结局。 在这样的相互作用之后，粒子有一个共享的公式，指定它们可能处于的各种组合状态。
正如爱因斯坦所说，导致 EPR 作者怀疑量子理论的令人震惊的结果是“幽灵般的超距作用”：测量粒子 A（从其可能性中挑选出一个现实）立即决定 B 的相应状态，不管B有多远。
自从物理学家在 1990 年代发现纠缠允许进行新的计算以来，纠缠的重要性已经飙升。 纠缠两个量子位——量子对象，如存在于两种可能状态的粒子，0 和 1——产生四种具有不同可能性的可能状态（0 和 0、0 和 1、1 和 0，以及 1 和 1）。 三个量子比特同时产生八种可能性，依此类推； 每增加一个纠缠量子比特，“量子计算机”的能力就会呈指数级增长。 巧妙地编排纠缠，你可以取消所有 0 和 1 的组合，除了给出计算答案的序列。 在谷歌的 54 量子位 Sycamore 机器的带领下，由几十个量子位组成的原型量子计算机在过去几年已经实现。
与此同时，量子引力研究人员出于另一个原因关注量子纠缠：作为时空全息图的可能源代码。
ER=EPR
涌现时空和全息术的讨论始于 1980 年代后期，当时黑洞理论家约翰·惠勒 (John Wheeler) 提出了时空及其中的一切都可能源于信息的观点。 很快，包括荷兰物理学家 Gerard 't Hooft 在内的其他研究人员想知道这种现象是否类似于全息图的投影。 在黑洞研究和弦理论中出现了这样的例子，其中对物理场景的一种描述可以转化为具有一个额外空间维度的同样有效的视图。 在 1994 年的一篇题为“作为全息图的世界“ 伦纳德·苏斯金德，斯坦福大学的量子引力理论家，充实了 't Hooft 的全息原理，认为广义相对论描述的弯曲时空体积等效于或“对偶”到该区域低维上的量子粒子系统边界。
三年后出现了全息术的一个重要例子。 胡安·马尔达塞纳（Juan Maldacena），现在新泽西州普林斯顿高等研究院的量子引力理论家， 发现 一种称为反德西特 (AdS) 空间的空间确实是全息图。
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实际的宇宙是德西特空间，一个不断扩大的球体，被自身的正能量驱使向外扩张。 相比之下，AdS 空间充满负能量——由广义相对论方程中一个常数的符号不同引起——赋予空间一种“双曲线”几何形状：物体从空间中心向外移动时会收缩，在外边界处变得无穷小。 Maldacena 表明 AdS 宇宙内部的时空和引力与边界上的量子系统（特别是称为共形场论或 CFT 的系统）的属性完全对应。
Maldacena 1997 年发表的重磅炸弹论文描述了这种“AdS/CFT 对应关系”，随后的研究已被引用 22,000 次——平均每天引用两次以上。 “几十年来，尝试利用基于 AdS/CFT 的想法一直是数以千计最优秀理论家的主要目标，”说 彼得·怀特，哥伦比亚大学数学物理学家。
当 Maldacena 自己探索动态时空和量子系统之间的 AdS/CFT 图时，他有了关于虫洞的新发现。 他正在研究一种涉及两组粒子的特定纠缠模式，其中一组中的每个粒子都与另一组中的一个粒子纠缠在一起。 马尔达西纳 显示 这种状态在数学上与相当戏剧性的全息图是对偶的：AdS 空间中的一对黑洞，其内部通过虫洞相连。
十年后，马尔达西纳在 2013 年（在“坦率地说，我不记得了”的情况下，他说）意识到他的发现可能意味着量子纠缠与虫洞连接之间存在更普遍的对应关系。 他在给 Susskind 的电子邮件中创造了一个神秘的小方程式——ER = EPR，Susskind 立刻就明白了。 两人很快 提出了猜想 一起写道，“我们认为，两个黑洞之间的爱因斯坦罗森桥是由两个黑洞的微观状态之间类似 EPR 的相关性产生的，”并且对偶性可能比这更普遍：“它非常诱人认为 任何 EPR 相关系统由某种 ER 桥连接。”
也许虫洞连接了宇宙中每对纠缠的粒子，形成了记录它们共同历史的空间联系。 也许爱因斯坦关于虫洞与粒子有关的直觉是正确的。
坚固的桥梁
当 Jafferis 在 2013 年的一次会议上听到 Maldacena 关于 ER = EPR 的演讲时，他意识到推测的对偶性应该允许您通过定制纠缠模式来设计定制虫洞。
标准的爱因斯坦-罗森桥令世界各地的科幻迷大失所望：一旦形成，它就会在自身引力作用下迅速坍塌，并在宇宙飞船或其他任何东西通过之前很久就被夹断。 但 Jafferis 设想在编码虫洞两个口的两组纠缠粒子之间串起一根电线或任何其他物理连接。 通过这种耦合，对一侧的粒子进行操作会导致另一侧的粒子发生变化，可能会撑开它们之间的虫洞。 “难道是让虫洞可以穿越？” Jafferis 回忆起当时的疑惑。 Jafferis 从小就对虫洞着迷——他是一个物理学神童，14 岁就开始在耶鲁大学学习——Jafferis 追寻这个问题“几乎是为了好玩”。
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回到哈佛，他和 高平，他当时的研究生，以及 阿伦·沃尔, 然后一位访问研究员, 最终计算出, 实际上, 通过耦合两组纠缠粒子, 你可以对左边的集合执行操作, 在双, 高维时空图片中, 打开虫洞领先到右手边的嘴里并推动一个量子位通过。
Jafferis, Gao 和 Wall's 2016年的发现 这个全息、可穿越的虫洞为研究人员提供了一个了解全息技术的新窗口。 “事实上，如果你从外面做正确的事情，你最终可以通过，这也意味着你可以看到虫洞的内部，”贾弗里斯说。 “这意味着有可能探究两个纠缠系统被一些连接的几何结构描述的事实。”
几个月内，Maldacena 和两位同事在该方案的基础上进一步证明了可穿越虫洞可以在一个简单的环境中实现——“一个简单到我们可以想象的量子系统，”Jafferis 说。
所谓的 SYK 模型是一种物质粒子系统，它们成组相互作用，而不是通常的成对相互作用。 该模型于 1993 年由 Subir Sachdev 和 Jinwu Ye 首次描述，从 2015 年开始突然变得重要起来，当时理论物理学家 阿列克谢·基塔耶夫 发现它是全息的。 那年在加利福尼亚州圣巴巴拉的一次演讲中，基塔耶夫（后来成为 SYK 中的 K）在几块黑板上写满了证据，证明物质粒子以四个一组相互作用的模型的特定版本在数学上可映射到一维黑色AdS 空间中的洞，具有相同的对称性和其他属性。 “在这两种情况下，有些答案是相同的，”他对全神贯注的听众说。 马尔达西纳坐在前排。
连接点，Maldacena 和合著者 建议 连接在一起的两个 SYK 模型可以对 Jafferis、Gao 和 Wall 的可穿越虫洞的两个嘴进行编码。 Jafferis 和 Gao 跟着方法跑了。 到 2019 年，他们找到了通往 一个具体的处方 用于将一个量子比特信息从一个四向相互作用粒子系统传送到另一个系统。 旋转所有粒子的自旋方向，在双时空图像中，转化为扫过虫洞的负能量冲击波，将量子比特向前踢，并在可预测的时间从虫洞中喷出。
“Jafferis 的虫洞是 ER = EPR 的第一个具体实现，他在其中展示了该关系对于特定系统完全成立，”说 亚历克斯·兹洛卡帕，麻省理工学院的研究生和新实验的合著者。
实验室中的虫洞
随着理论工作的发展，参与 2012 年发现希格斯玻色子的成功实验粒子物理学家 Maria Spiropulu 正在考虑如何使用新生量子计算机进行全息量子引力实验。 2018 年，她说服 Jafferis 加入她不断壮大的团队，以及 Google Quantum AI 的研究人员——Sycamore 设备的守护者。
为了在最先进但仍然很小且容易出错的量子计算机上运行 Jafferis 和 Gao 的虫洞传送协议，Spiropulu 的团队必须大大简化协议。 一个完整的 SYK 模型由几乎无限多的粒子组成，随着四向相互作用的发生，它们以随机强度相互耦合。 这是不可行的计算； 即使使用所有 50 多个可用量子位也需要数十万次电路操作。 研究人员着手创建一个只有七个量子位和数百个操作的全息虫洞。 为此，他们必须“稀疏化”七粒子 SYK 模型，仅对最强的四向相互作用进行编码并忽略其余部分，同时保留模型的全息特性。 “这花了几年时间才想出一个聪明的方法，”斯皮罗普卢说。
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成功的秘诀之一是 Zlokapa，他是一名流浪管弦乐队的孩子，作为加州理工学院的本科生加入了 Spiropulu 的研究小组。 作为一名天才程序员，Zlokapa 将 SYK 模型的粒子相互作用映射到神经网络神经元之间的连接上，并训练系统在保留关键虫洞签名的同时删除尽可能多的网络连接。 该程序将四向交互的数量从数百个减少到五个。
有了这个，团队开始对 Sycamore 的量子比特进行编程。 七个量子位编码 14 个物质粒子——左右 SYK 系统各七个，其中左侧的每个粒子都与右侧的一个粒子纠缠在一起。 然后，第八个量子位以状态 0 和 1 的某种概率组合形式与左侧 SYK 模型中的一个粒子交换。 该量子位的可能状态很快与左侧其他粒子的状态纠缠在一起，将其信息均匀地散布在它们之间，就像一滴墨水浸入水中。 这与进入 AdS 空间中一维虫洞左口的量子比特具有全息对偶性。
然后是所有量子比特的大旋转，双重到穿过虫洞的负能量脉冲。 旋转导致注入的量子比特转移到右侧 SYK 模型的粒子上。 普雷斯基尔说，然后信息不再传播，“就像混沌倒退一样”，并重新聚焦在右侧单个粒子的位置——被换出的左侧粒子的纠缠伙伴。 然后测量量子比特的状态。 在许多实验运行中计算 0 和 1，并将这些统计数据与注入量子位的准备状态进行比较，可以揭示量子位是否正在瞬移。
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研究人员在数据中寻找代表两种情况之间差异的峰值：如果他们看到峰值，则意味着双负能量脉冲的量子位旋转允许量子位传送，而相反方向的旋转是双脉冲正常，正能量，不要让量子比特通过。 （相反，它们导致虫洞关闭。）
XNUMX 月的一个深夜，经过两年的逐步改进和降噪工作，Zlokapa 从他位于旧金山湾区的童年卧室远程在 Sycamore 上运行了完成的协议，他在研究生院的第一个学期结束后正在那里度过寒假.
高峰出现在他的电脑屏幕上。
“它变得越来越尖锐，”他说。 “我把峰顶的截图发给了玛丽亚，我非常兴奋，写道，‘我想我们现在看到了一个虫洞。’”这个峰顶是“你可以在量子计算机上看到引力的第一个迹象。”
Spiropulu 说她简直不敢相信她所看到的干净、明显的山峰。 “这与我看到希格斯粒子发现的第一批数据时非常相似，”她说。 “不是因为我没想到，而是它来得太过分了。”
令人惊讶的是，尽管虫洞的骨架很简单，但研究人员发现了虫洞动力学的第二个特征，即信息在量子位之间传播和传播的微妙模式，称为“尺寸缠绕”。 他们没有训练他们的神经网络来保存这个信号，因为它使 SYK 模型稀疏化，所以大小缠绕无论如何都会出现的事实是关于全息术的实验发现。
“对于这个规模庞大的房产，我们没有提出任何要求，但我们发现它突然出现了，”Jafferis 说。 他说，这“证实了全息二元性的稳健性”。 “让一个 [property] 出现，然后你得到所有其余的，这是一种证据，表明这个引力图是正确的。”
虫洞的意义
Jafferis 从未想过自己会成为虫洞实验（或任何其他实验）的一部分，他认为最重要的收获之一是该实验对量子力学的看法。 像纠缠这样的量子现象通常是不透明和抽象的； 例如，我们不知道粒子 A 的测量如何从远处确定 B 的状态。 但在新实验中，一种无法言喻的量子现象——粒子间的信息传送——有一个有形的解释，即粒子接收到能量并以可计算的速度从 A 移动到 B。从量子比特的角度来看； 它是因果运动的，”Jafferis 说。 也许像隐形传态这样的量子过程“总是感觉对那个量子位有引力。 如果这个实验和其他相关实验能产生类似的结果，那肯定会告诉我们一些关于宇宙的深层信息。”
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Susskind 很早就看到了今天的结果，他说他希望未来涉及更多量子比特的虫洞实验可以用来探索虫洞的内部，以此作为研究引力的量子特性的一种方式。 “通过对经过的东西进行测量，你可以审问它，看看里面有什么，”他说。 “在我看来，这似乎是一种有趣的方式。”
一些物理学家会说这个实验没有告诉我们关于我们宇宙的任何信息，因为它实现了量子力学和反德西特空间之间的二元性，而我们的宇宙不是。
自 Maldacena 发现 AdS/CFT 对应关系以来的 25 年里，物理学家一直在为德西特空间寻找类似的全息对偶性——一张从量子系统到我们生活的充满正能量、不断膨胀的德西特宇宙的地图。但进展一直在比 AdS 慢得多，导致一些人怀疑德西特空间是否是全息空间。 “诸如‘如何让这个在 dS 的更物理情况下工作怎么样？’这样的问题。” AdS/CFT 研究的批评者 Woit 说：“这不是新的，而是非常古老的，并且已经成为数万人年不成功努力的主题。” “所需要的是一些完全不同的想法。”
批评者认为这两种空间存在明显差异：AdS 有外边界而 dS 空间没有，因此没有平滑的数学转换可以将一种空间转变为另一种空间。 AdS 空间的硬边界正是使全息术在该环境中变得容易的东西，它提供了从中投射空间的量子表面。 相比之下，在我们的德西特宇宙中，唯一的边界是我们能看到的最远和无限的未来。 这些是可以尝试投影时空全息图的模糊表面。
雷纳特·洛尔荷兰拉德堡德大学著名的量子引力理论家，也强调虫洞实验涉及二维时空——虫洞是一根细丝，有一个空间维度加上时间维度——而引力在 2 维空间更复杂—— “我们很容易陷入 4D 玩具模型的复杂性，”她在电子邮件中说，“同时忽视了 2D 量子引力中等待我们的不同和更大的挑战。 对于那个理论，我看不出量子计算机以其当前的能力有多大帮助……但我很乐意接受纠正。”
大多数量子引力研究人员认为，这些都是困难但可以解决的问题——编织 4D 德西特空间的纠缠模式比 2D AdS 更复杂，但我们仍然可以通过在更简单的环境中研究全息术来提取一般教训。 该阵营倾向于将 dS 和 AdS 这两种类型的空间视为相似多于不同。 两者都是爱因斯坦相对论的解决方案，仅相差一个减号。 dS 和 AdS 宇宙都包含遭遇相同悖论的黑洞。 当你深入 AdS 空间，远离它的外墙时，你几乎无法将周围环境与德西特区分开来。
不过，Susskind 同意现在是时候变得真实了。 “我认为是时候摆脱 AdS 空间的保护层，进入可能与宇宙学有更多关系的世界了，”他说。 “德西特空间是另一头野兽。”
为此，Susskind 有了一个新想法。 在 预印本 他于 XNUMX 月在网上发布，提出德西特空间可能是 SYK 模型不同版本的全息图——不是具有四向粒子相互作用的模型，而是其中每次相互作用所涉及的粒子数量随着正方形的增长而增长的模型粒子总数的根。 他说，SYK 模型的这种“双尺度限制”“表现得更像德西特而不是 AdS”。 “远非证据，但有间接证据。”
这样的量子系统比目前编程的系统更复杂，“我不知道这个极限是否会在实验室中实现，”Susskind 说。 似乎可以肯定的是，既然有了一个全息虫洞，就会有更多虫洞打开。
