Google科學家利用量子計算機研究蟲洞
2019年12月04日11:10
信息落入黑洞的概念示意圖
信息落入黑洞的概念示意圖

  12月4日消息,Google的研究人員正在研究如何在實驗室中探索一些只存在於理論上的奇特物理現象,比如連接兩個黑洞的蟲洞。

  時至今日,推動理論物理學發展的一個核心問題是,如何用同一個理論來解釋引力和量子力學——原子等微觀粒子遵循的規則。由於引力是一種極其微弱的力,所以用今天的技術,在最小的尺度上探測引力實際上是不可能的。但理論工作已經暗示,“量子引力”可能會出現在特定的量子系統中,甚至有朝一日可以在實驗室里製造出來。Google的物理學家就提出了這樣一個實驗,假定一個在物理實驗室中可再造的量子態,可以解釋為在兩個黑洞之間的蟲洞里穿越的信息。

  研究作者在預印本網站arXiv上發表的論文中寫道:“由此,對這種情況的實驗研究為更深入地理解量子引力提供了一個途徑。”

  引力似乎就是無法與量子力學調和,而理論物理學家也一直在努力將這兩個概念串在一起。但是在某些地方,某些時候,這兩個概念必須同時存在,比如在黑洞表面或黑洞內部,以及在大爆炸的那一刻。弦理論是將二者聯繫起來的最流行的理論之一,它用在高維空間中振動的微小弦代替亞原子粒子。弦理論存在於遠小於粒子加速器探測範圍的尺度上,因此很難進行檢測。然而,在20多年前,有科學家提出了名為“AdS/CFT對偶”的猜想,這個理論本質上是說,你可以將這個高維世界中的高維引力,理解為由量子力學粒子產生的全息圖。因此,Google公司、加州理工學院、馬里蘭大學和阿姆斯特丹大學的物理學家研究團隊認為,研究極端的量子行為或許將為弦理論的存在提供更有力的證據。也許量子計算機可以製造出能探測到弦理論的行為,或者類似蟲洞的現象。

  近十年來最重要的物理學進展之一,便是控製和操縱量子態的機器的發展,我們稱之為量子計算機和量子模擬器。最小的物體,比如繞原子運動的電子,只能具有特定的屬性值,但是當你不觀察它們時,它們又可以同時具有不同的屬性值(當你再次進行測量時,它們又會回到只有一個屬性值的狀態)。兩個或兩個以上的粒子也可能糾纏在一起,意味著它們和它們的性質必須被描述為一個單一的數學對象,即使你把原子在空間中分開。

  Google研究人員的提議是,用兩組相連的量子位(量子計算機的人工“原子”)來創建一個回路,並將其分成左、右兩個群組。輸入能量的脈衝在數學上相當於讓量子位的狀態隨時間向後演化,而另一個脈衝則通過特定的方式改變左側原子的量子態,從而編碼“信息”。於是,這另一個脈衝就起到了加速量子位行為的作用。對於黑洞的類比而言,這種設定至關重要,因為在數學上,量子位之間信息的打亂就類似於粒子的屬性信息在進入黑洞時被打亂,並可能丟失。一旦信息被打亂,左側的每個量子位就會與右側的鏡像量子位糾纏在一起。最後,經過一段時間後,信息會神秘地在右側的量子位重新出現,而不需要任何解碼。

  研究作者在論文中寫道:“這條信息(傳遞到系統另一端)的方式一點也不明顯,而最令人驚訝的事實是,最簡單的解釋存在於黑洞的物理學中。”研究人員認為,從本質上,系統中量子位群組之間的信息傳遞類似於一條信息進入黑洞,穿過蟲洞,然後從第二個黑洞中出現。然後,研究人員引入了一個數學框架來說明整個過程,以及它是如何與一個不會坍塌的可穿越蟲洞的進行類比的。

  根據這篇論文的描述,物理學家有可能在實驗室中實現這一系統。一種可能的裝置是由原子的電子陣列組成,電子要麼處於最低能量狀態,要麼處於能量極高的“里德伯”狀態(Rydberg state),由激光脈衝控製。另一種裝置由被捕獲的帶電離子陣列構成。也許有一天,這其中的某個裝置就能實現由Google提出的實驗。

  簡單來說,科學家認為他們可以通過量子計算機,在數學上模擬信息通過蟲洞在兩個黑洞之間的傳遞。顯然,地球上不可能產生蟲洞,因此這隻是一個模型,和其他模擬系統一樣,只是因為該實驗的數學描述看起來就像某個描述空間的理論。當然,這並不意味著該理論就一定是正確的。這些模型只是為了提出更強有力的數學證據,證明某個理論可能是正確的。

  這項工作建立在量子信息隨時間推移而打亂,以及這種打亂與黑洞之間的聯繫之上。儘管如此,它還是讓物理學家興奮不已。不久前,數十名物理學家在GoogleX會議上討論了量子技術如何為量子引力研究人員所用。“聽到這個實驗的時候,真的非常激動人心,”紀堯姆·弗登(Guillaume Verdon)說,“研究量子引力將我帶入了量子計算的夢想。”

  參與這項研究的馬里蘭大學物理學教授克里斯托弗·門羅(Christopher Monroe)表示,論文中描述的這種量子計算機即將問世,它可以創造出模擬蟲洞的熱場雙態量子位。他自己的團隊正在研究捕獲離子的量子計算機,他希望能夠盡快使其成為一個平台,在上面創建測試這些想法所需的量子態。他說:“像這樣的論文激勵著我們,並推動我們在大學、公司和政府實驗室里建立這些(模型)。”(任天)

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