量子计算机模拟的虫洞可以支持宇宙是全息图的理论

在谷歌的 Sycamore 2 计算机上进行的量子实验在两个模拟黑洞之间传输数据,增加了宇宙全息原理的分量.

艺术家对虫洞内部的印象。 (图片来源:Shutterstock)
艺术家对虫洞内部的印象。 (图片来源:Shutterstock)

物理学家使用量子计算机模拟了有史以来第一个全息虫洞并通过它传输信息。

在谷歌的 Sycamore 2 量子计算机上创建的“婴儿”虫洞不是由引力产生的,而是通过量子纠缠产生的——两个粒子的连接使得测量一个粒子会立即影响另一个粒子。通过将量子比特或量子比特纠缠在微小的超导电路中,物理学家能够创建一个传送信息的门户。该实验有可能进一步假设我们的宇宙是由量子信息拼接在一起的全息图。研究人员于 11 月 30 日在《自然》杂志上发表了他们的发现。

“这是在实验室研究量子引力的一小步,”加州理工学院物理学家、主要作者 Maria Spiropulu 在 11 月 30 日的新闻发布会上说。 “当我们看到这些数据时,我惊慌失措。我们跳上跳下。但我试图让它保持稳定。”

虫洞是穿越时空的假想隧道,两端由黑洞相连。在自然界中,两个黑洞的巨大引力有助于创造虫洞的条件,但实验中模拟的虫洞有点不同:它是一个玩具模型,依靠一种称为量子隐形传态的过程来模仿两个黑洞孔并通过门户发送信息。这些过程看起来非常不同,但根据研究人员的说法,它们可能并没有那么不同。在一个称为全息原理的假设中,围绕黑洞奇点(爱因斯坦的广义相对论)失效的引力理论实际上可以从管理非常小的物体(如量子力学)的怪异规则中出现——他们的实验可能会提供第一条线索是这样的。

值得庆幸的是,量子计算机中的黑洞类似物与潜伏在太空中的吞噬一切的怪物不同。但研究人员不确定他们是否可能已经足够接近地模拟黑洞,以至于它们被认为是真实事物的奇怪变体,最终将他们的量子计算机裂缝称为“紧急”黑洞。

“它看起来像一只鸭子;它走路像鸭子;它叫起来像鸭子。这就是我们目前可以说的,”物理学家兼费米实验室研究副主任约瑟夫·莱肯在新闻中说。会议。 “我们有一些东西,就我们所看到的特性而言,它看起来像一个虫洞。”

爱因斯坦的预言

虫洞的想法最早出现在阿尔伯特·爱因斯坦和他的同事内森·罗森的工作中,他们在 1935 年的一篇著名论文中证明了广义相对论允许黑洞连接成可以连接遥远距离的桥梁。 该理论试图对空间中称为奇点的点提供另一种解释:黑洞的核心,质量无限集中在一个点上,产生如此强大的引力场,以至于时空扭曲到无限大,爱因斯坦方程式 坍塌。 如果虫洞以某种方式存在,爱因斯坦和罗森推断,那么广义相对论就成立了。

在著名的 1935 年论文发表前一个月,爱因斯坦、罗森和他们的同事鲍里斯·波多尔斯基 (Boris Podolsky) 又写了一篇。 在那项研究中,他们做出了一个预测,与他们后来关于广义相对论的论文不同,他们并不是要支持量子理论,而是要诋毁它的荒谬含义。 物理学家们概述说,如果量子力学的规则是正确的,那么两个粒子的特性可能会变得密不可分,以至于测量一个粒子会立即影响另一个粒子,即使这两个粒子被一个巨大的间隙隔开。 爱因斯坦嘲笑这个现在被称为量子纠缠的过程,称其为“幽灵般的超距作用”,但它已经被观察到并被物理学家普遍使用。

尽管做出了这两个开创性的预测,但爱因斯坦对量子物理学固有的不确定性和怪异性的厌恶可能使他看不到一个重要的见解:这两个预测实际上可能是相关的。 通过将广义相对论和量子理论分开,物理学家对引力和量子效应发生碰撞的领域一无所知——比如黑洞的内部,或者宇宙在大爆炸时刻集中在的无穷小点。

全息原理

自爱因斯坦陷入僵局以来,物理学家们一直在寻找大小缝合点——一种万物理论——提出了各种丰富多彩的命题。 一个是全息原理,它假定整个宇宙是在远程 2D 表面上进行的过程的 3D 全息投影。

这个想法源于斯蒂芬霍金在 1970 年代的工作,这提出了一个明显的悖论,即如果黑洞确实辐射霍金辐射(虚拟粒子的辐射在事件视界附近随机出现),它们最终会蒸发,打破了一个主要规则信息不能被破坏的量子力学。广义相对论和量子力学现在不再只是水火不容;尽管他们做出了许多令人难以置信的准确预测,但他们甚至可能是错误的。

为了解决这个问题,旨在调和量子力学和相对论的弦理论的支持者利用观察发现黑洞所包含的信息与其事件视界的二维表面积相关联(超过该点甚至光都无法逃脱它的引力)。甚至关于坍缩到黑洞中的恒星的信息也被编织成这个视界表面的波动,然后被编码到霍金辐射中并在黑洞蒸发之前被送走。

在 1990 年代,理论物理学家 Leonard Susskind 和 Gerard ‘t Hooft 意识到这个想法不必就此止步。如果 3D 恒星的所有信息都可以在 2D 事件视界上表示,那么宇宙——它有自己不断扩展的视界——也许也是一样的:2D 信息的 3D 投影。

从这个角度来看,广义相对论和量子力学这两个脱节的理论可能根本就不是分开的。时空的引力扭曲,连同我们看到的其他一切,可能会像全息投影一样出现,从遥远地平线低维表面上微小粒子的微小相互作用中闪闪发光。

虫洞测试

为了将这些想法付诸实践,研究人员求助于谷歌的 Sycamore 2 计算机,为其加载了一个简单的全息宇宙的基本模型,该宇宙的两端包含两个量子纠缠黑洞。在将输入信息编码到第一个量子位后,研究人员看到该信息被打乱成乱码——类似于被第一个黑洞吞噬——然后在另一端完整无缺地弹出,就像被黑洞吐出来一样。第二。

“原则上,这里发生的物理学是,如果我们在地球的不同侧面有两台量子计算机,并且[如果]我们稍微改进这项技术,你就可以做一个非常相似的实验,其中量子信息在我们哈佛的实验室消失了,并出现在实验室和加州理工学院,”Lykken 说。 “这将比我们在单个芯片上实际所做的更令人印象深刻。但实际上,我们在这里谈论的物理学在这两种情况下都是相同的。”

虫洞技巧令人惊讶的方面不是信息以某种形式通过,而是它完全完整地出现并且以相同的顺序进入 – 实验表现得像物理虫洞和物理虫洞的关键线索,反过来,可以由纠缠提供动力。

研究人员指出,信息跨越了一个微小的差距,仅比自然界中可想象的最短距离普朗克长度大几倍。未来,他们想要设计更复杂的实验,在更先进的硬件上执行这些实验,并将代码发送到更远的距离。他们说,虽然从通过虫洞发送信息到发送物理物质(如亚原子粒子)并没有太大的理论上的飞跃,但它需要足够大的量子比特密度来创建一个真正的迷你黑洞。

“通过实验,我会告诉你它非常非常远,”Spiropulu 说。 “人们来找我,他们问我,‘你能把你的狗放进虫洞吗?’不,这是一个巨大的飞跃。”

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