作為生活在三維世界里的人，我們似乎都思考過一個問題：時空穿越是可以實現的嗎？

1916 年，奧地利物理學家 Ludwig Flamm 首次提出了「蟲洞（wormhole）」的概念，1930 年代由愛因斯坦及納森 · 羅森在研究引力場方程時假設黑洞與白洞通過蟲洞連接，因此「蟲洞」又被稱作「愛因斯坦—羅森橋」。「蟲洞」被認為是宇宙中可能存在的「捷徑」，物體通過這條捷徑可以在瞬間進行時空轉移。然而，科學家們一直無法證實蟲洞的客觀存在。

現在，科學家們創造了有史以來第一個蟲洞，研究論文登上了《Nature》雜志的封面。

論文地址：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05424-3

蟲洞就像一個全息圖，由存儲在微型超導電路中的量子比特信息或「qubit」組成。該研究通過操縱量子比特，成功通過蟲洞發送了信息。

這項研究是由加州理工學院物理學教授 Maria Spiropulu 領導的，研究團隊使用谷歌的量子計算機 Sycamore 實現了一種新型的「蟲洞隱形傳態協議」。

加州理工學院物理學家 Maria Spiropulu 。圖源：量子雜志。

全息原理是基于黑洞的量子性質提出的一種基本原理，涉及基礎物理學、量子力學和廣義相對論。自 1930 年代以來，物理學家一直在努力調和這些互不相干的理論。1990 年代以來全息原理在兩個框架之間提出了數學等價或「對偶性」。全息原理認為廣義相對論描述的彎曲時空連續體實際上是一個偽裝的粒子量子系統。時空和引力從量子效應中產生，就像 3D 全息圖從 2D 模式中投射出來一樣。

而 Spiropulu 等人進行的這項新實驗證實：我們可以在量子計算機中控制量子效應，可以產生我們期望在相對論中看到的現象——蟲洞。 

需要明確的是，與普通的全息圖不同，蟲洞不是我們可以看到的。蟲洞的主要開發者、哈佛大學的共同作者 Daniel Jafferis 認為：雖然我們的研究成果可以被認為是「真實時空的 filament」傳送協議，但它不是我們和 Sycamore 計算機所在的同一現實世界的一部分。全息原理表明，這兩種現實——有蟲洞的現實和有量子比特的現實——是同一物理學的不同版本，但如何概念化這種二元性仍然是個謎。

對于研究結果的基本含義，科學界可能會有各種不同的意見。但至關重要的是，實驗中的全息蟲洞由與我們所在宇宙的時空不同的時空組成。該實驗是否進一步證明了我們居住的時空也是全息的，這一點值得商榷。

Jafferis 說：「我認為宇宙中的引力確實是從一些量子比特中產生的，就像這個一維蟲洞是從 Sycamore 芯片中產生的一樣。但我們還不能完全確定，我們仍在努力探索。」

背景

AdS/CFT 的對應關系是在一系列由問題引起的探究結束時發現的。在一個單一的空間區域內，能容納的最大信息量是多少？如果有人問工程師，一個數據中心可能儲存多少信息，答案很可能是「這取決于其中內存芯片的數量和類型」。但令人驚訝的是，數據中心內的東西最終并不那么重要。如果人們把越來越多的內存芯片和越來越密集的電子設備塞進數據中心，那么它最終會坍縮成一個黑洞，消失在事件視界（event horizon）后面。

當雅各布 · 貝肯斯坦和斯蒂芬 · 霍金等物理學家試圖計算黑洞的信息含量時，他們驚訝地發現，它是由事件視界的面積給出的，而不是由黑洞的體積。這看起來就像黑洞內部的信息被寫在了事件視界上。具體來說，一個黑洞的事件視界可以用 A 個微小單位的面積（每個單位稱為「普朗克面積」，為 2.6121×10^-70 平方米）來鋪設，最多有 A/4 比特的信息。這個極限被稱為「貝肯斯坦 - 霍金邊界」。

這一發現表明，一個區域所能容納的最大信息量未必與它的體積成正比，而是與該區域邊界的表面積成正比，這暗示了量子信息與我們日常經驗中的三維空間世界之間的一種有趣的關系。這種關系已被「它來自量子比特」（It from qubit）這一短語所概括，描述了物質（它）如何從量子信息（量子比特）中出現。

雖然對普通時空來說，正式確定這種關系是困難的，但最近的一項研究取得了具有雙曲幾何的假想宇宙的顯著進展，被稱為「反德西特空間」（anti-de Sitter space），其中量子引力理論的構建更加自然。

在反德西特空間中，對有引力作用的空間體積的描述，可以被認為是在包圍該體積的邊界上編碼的：空間內的每個物體在邊界上都有相應的描述，反之亦然。這種信息的對應關系被稱為「全息原理」，這是一個受貝肯斯坦和霍金的觀察啟發的通用原理。

AdS/CFT 的對應關系使物理學家能夠將空間中的物體與表面上相互作用的量子比特的特定集合聯系起來。也就是說，邊界的每個區域（在量子信息中）都編碼了時空中某個區域的內容，這樣一來，任何給定位置的物質都可以由量子信息「構建」出來。這使得量子處理器可以直接與量子比特一起工作，同時提供對時空物理學的洞察力。通過仔細定義量子計算機的參數來模擬一個給定的模型，我們就可以研究黑洞，甚至更進一步研究兩個相互連接的黑洞——一種被稱為「蟲洞」的配置，或「愛因斯坦 - 羅森橋」。

實驗室中的量子引力

谷歌的研究者計劃在 Sycamore 處理器上實現這些想法，他們構建了一個與可穿越蟲洞對等的量子系統。通過全息原理從量子信息語言轉化為時空物理學，該實驗讓一個粒子落入蟲洞的一邊，觀察它在另一邊出現。

在最近的研究中，Daniel Jafferis、Ping Gao 和 Aron Wall 證明了可穿越蟲洞的可能性。蟲洞長期以來一直是科幻小說的主題，但一個「憑想象」構建的蟲洞會在穿過它的粒子上坍縮。

研究者表明：負能量的沖擊波，即以光速傳播的時空變形，可以解決這個問題，它將蟲洞撐開足夠長的時間使其可以從中穿越。可穿越蟲洞中負能量的存在類似于卡西米爾效應中的負能量，即真空能量將緊密間隔的板塊推到一起。在這兩種情況下，量子力學允許空間中某一特定位置的能量密度為正或負。另一方面，如果蟲洞經歷了一個正能量的沖擊波，就不會有信息被允許通過。

用全息原理來創造一個蟲洞的最簡單應用需要很多很多的量子比特——事實上，要想接近理論物理學家給出的鉛筆和紙張的解決方案，就需要非常多的量子比特。隨著量子比特數量的減少，還需要額外的修正，而這些修正在今天仍然不為人所知。要在數量有限的量子計算機上建立一個可穿越的蟲洞，需要新的思路。

研究者之一 Zlokapa 采用深度學習的思路設計了一個小型的量子系統，保留了引力物理學的關鍵方面。神經網絡是通過反向傳播進行訓練的，這種方法通過直接計算網絡各層的梯度來優化參數。為了提高神經網絡的性能，防止其對訓練數據集過擬合，機器學習研究者采用了大量的技術，比如稀疏化試圖通過將盡可能多的權重設置為零來限制網絡中的信息細節。

Alex Zlokapa 是麻省理工學院的一名研究生，他在本科時就加入了蟲洞項目。在研究中，他找到了一種方法來簡化蟲洞協議，使其足以在谷歌的量子計算機上運行。圖源：量子雜志。

同樣，為了創建蟲洞，研究者從一個大的量子系統開始，把它當作一個神經網絡。反向傳播更新了系統的參數以保持引力特性，而稀疏化減少了系統的大小。他們應用機器學習來學習一個系統，只保留了一個關鍵的引力特征：使用負能量沖擊波的重要性。訓練數據集比較了粒子穿越一個用負能量撐開的蟲洞和用正能量塌縮的蟲洞的動態。通過確保學到的系統保留這種不對稱性，他們得到了一個與蟲洞動力學一致的稀疏模型。

研究者們對新的量子系統進行了許多測試，以確定它是否表現出超越不同能量沖擊波所引起特征的引力行為。例如，雖然量子力學效應能以多種方式在量子系統中傳遞信息，但在時空中傳播的信息——包括通過蟲洞——必須是因果一致的。這一點和其他特征在經典計算機上得到了驗證，證實了量子系統的動力學與通過全息原理辭典中的引力解釋是一致的。

將可穿越蟲洞作為實驗在量子處理器上實現是一個異常微妙的過程。跨越量子比特的信息傳輸的微觀機制是高度混亂的：想象一滴墨水在水中旋轉。當一個粒子落入蟲洞時，它的信息會被涂抹在全息圖的整個量子系統中。為了使負能量沖擊波發揮作用，信息的擾亂必須遵循一種特殊的模式，即所謂的「完美尺寸纏繞（perfect size winding）」。

在粒子撞上負能量沖擊波后，混亂的模式有效地反向進行：當粒子從蟲洞中出現時，就好像墨滴通過完全撤消其原來的湍流擴散而重新組合在一起。如果在任何一個時間點上，發生了一個小錯誤，混沌動力學就不會自我撤消，粒子也就無法通過蟲洞了。

在 Sycamore 量子處理器上，研究者測量了當應用負能量和正能量沖擊波時，有多少量子信息從系統的一側傳遞到另一側。他們觀察到兩種能量之間有輕微的不對稱性，顯示出可穿越蟲洞的關鍵特征。由于該協議對噪聲的敏感性，Sycamore 處理器的低錯誤率對測量信號至關重要；即使有 1.5 倍的噪聲，信號也會被完全掩蓋。

展望

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例子：量子處理器可以提供對時間晶體、量子混沌和化學的洞察力。這項蟲洞動力學的工作，代表了使用量子處理器發現基本物理學的一步。

隨著量子設備的不斷改進，更低的錯誤率和更大的芯片將允許研究者們對引力現象進行更深入的探測。與記錄周圍世界引力數據的實驗不同，量子計算機提供了一個探索量子引力理論的工具。未來，量子計算機將有助于發展對未來量子引力理論的理解，超越目前的模型。