科幻變成現實:谷歌量子計算機懸鈴木,成功實施了量子蟲洞實驗

天空之城 2022/12/05 檢舉 我要評論

科幻電影《星際穿越》中,主人公通過穿越蟲洞在瞬間到達了數千光年外的另一個星系,并在那里找到了新的家園,甚至還在途中與另外一個時空的自己實現了交流。

不過電影中的蟲洞并非自然產生的,而是高維生物為了幫助人類放置在那里的,回到現實,人類至今還沒有觀測到宇宙中蟲洞的痕跡,那麼蟲洞真的存在嗎?

假如我們制造出了蟲洞,它是否能讓人穿越時空?

為了探尋蟲洞的奧秘,美國能源部科學辦公室基礎物理量子通信的首席研究員瑪麗亞.斯皮羅普盧帶領它的團隊與谷歌公司展開合作,在QCCEP項目的贊助下利用谷歌公司旗下的量子計算機 「懸鈴木」首次實現了蟲洞的實驗:他們通過量子計算機構建出了「蟲洞」,在蟲洞通道中進行了量子糾纏態的空間傳送。

1916年,奧地利物理學家Ludwig Flamm首次提出了蟲洞的概念,1930年,艾琳斯特和羅森在研究引力場方程時得出了蟲洞的解,因此蟲洞又被稱為 「愛因斯坦-羅森橋」,它像宇宙中的一條捷徑,物體可以在這條通道中在瞬間進行空間轉移。

在了解蟲洞之前,我們必須先熟悉黑洞和白洞,黑洞相信大家已經耳熟能詳了,簡單的從物理性質上說,黑洞的本質就是一個天體,我們的太陽和地球也都同屬于天體,只不過黑洞的質量和密度都非常大。

根據萬有引力定律,物體的引力和質量成正比,所以黑洞的引力也相當大,以至于扭曲了周圍的時空。這就進一步導致黑洞表面的逃逸速度也非常高: 每秒大于30萬公里,即光速。

根據愛因斯坦的廣義相對論,任何有質量的物體都無法達到或超越光速,所以任何進入黑洞視界的物體,都毫無例外的會被黑洞吞噬, 成為黑洞的一部分。

而白洞則是一個和黑洞性質截然相反的物體:黑洞吞噬萬物,白洞卻把萬物從天體中釋放出來,如果說黑洞是吸引力,那麼白洞就是排斥力。

黑洞吞噬的物體都去了哪?

而白洞噴發的物質又從何而來?

這時蟲洞就要登場了,蟲洞在其中扮演了通道的角色,黑洞吞噬物質后穿過蟲洞最后由白洞釋放出來。

此前的研究顯示,蟲洞可能和量子糾纏之間存在著某種關聯,量子糾纏屬于一種物理現象:兩個彼此有糾纏關系的量子,無論相距有多遠,都能在瞬時對另一個粒子的行為作出反應,時間和距離則在發生糾纏時被隱去了一樣。

而蟲洞則和量子糾纏具有許多相似性, 它們都可以無視距離。

2013年,來自哈佛大學的丹尼爾.杰夫斯教授提出了一個想法,或許可以通過推測的對偶性,經由調整糾纏模式來設計特定的蟲洞,即在兩組具有糾纏的粒子之間,穿上一個電線或其他的物理連接,讓粒子編碼出像蟲洞的兩個口。

在這樣的耦合作用下,操作其中一個粒子,就能引起另一個粒子的變化,從而有可能在兩個粒子之間撐開一個蟲洞,2016年時,杰夫斯和他的學生完成了這個實驗,并且計算得出在兩組耦合糾纏粒子中,當左側的粒子執行操作時,對偶高緯時空圖像中就會打開通往右側的蟲洞口,從而使一個量子位從中通過。

愛因斯坦在廣義相對論中認為,如果正負能量波動平衡,那麼就沒有東西可以穿過蟲洞,但如果存在一種負能量沖擊波,那麼就有希望將蟲洞撐開,從而實現穿越。

以上實驗正是建立在這樣理論基礎,有了初步的實驗成果后,丹尼爾在2018年加入了新的科研小組,主要研究方向就是利用 量子計算機進行全息量子引力實驗。

研究團隊利用谷歌懸鈴木量子計算機中9個量子比特位,量子位被視為可視化波函數,同時他們構建了簡化版的SKY系統,在其中[插·入]了一個量子比特信息,這時就可以在同一個量子處理器上觀察到另一個系統中出現了類似的信息,這就說明該量子比特信息通過量子糾纏構建的「蟲洞」實現了穿越。

需要注意的是,這里構架的蟲洞和我們日常理解的蟲洞有所不同,量子糾纏中的蟲洞是一個二維條件下的, 不過其中的動力學與量子系統中蟲洞的預期行為是一致的。

假如我們使用量子力學來解釋這一成果,它就意味著信息在一個量子系統中,通過量子傳送進入到了另一個系統,而如果我們使用廣義相對論來理解,那麼這就是一次穿越蟲洞的旅行。

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