麻省理工学院、加州理工学院、哈佛大学和其他地方的研究人员第一次通过量子系统发送量子信息，可以理解为穿越虫洞。尽管这个实验并没有像我们在科幻小说中理解的“虫洞”那样造成物理时空的破坏，但实验的计算表明，量子比特在引力模型中从一个纠缠粒子系统移动到另一个纠缠粒子系统。这个在谷歌的Sycamore量子处理器设备上进行的实验打开了未来用量子计算机探索弦理论和引力物理学思想的实验之门。

“模拟强相互作用的量子系统，比如那些在量子引力中产生的量子系统，是量子计算机最令人兴奋的应用之一，”丹尼尔·哈洛说，他是杰罗尔德·r·扎卡里亚斯职业发展物理学副教授，也是麻省理工学院核科学实验室(LNS)的研究员，他与该研究的主要作者之一大卫·科尔chemeyer合作。“这是有希望的第一步。”

在《自然》杂志的一篇新论文中，包括麻省理工学院理论物理中心(CTP)和LNS研究人员Kolchmeyer和Alexander Zlokapa在内的一组物理学家展示了一对量子系统的结果，它们的行为类似于一个可穿越的虫洞。

虫洞是连接两个遥远时空区域的桥梁。在经典广义相对论中，任何东西都不允许通过虫洞。2019年，哈佛大学的丹尼尔·杰弗里斯和他的合作者提出，当纠缠的黑洞产生虫洞时，虫洞是可以穿越的。科尔奇迈耶是一名博士后，与CTP和LNS的研究人员哈洛和助理教授内塔·恩格尔哈特一起工作，他的博士学位是杰弗里斯的指导。

“这些物理学家发现了一种量子机制，通过引入遥远时空区域之间的直接相互作用，利用费米子的简单量子动力系统，使虫洞可穿越，”Kolchmeyer说。“在我们的工作中，我们还使用这些纠缠量子系统使用量子计算产生这种‘虫洞隐形传态’，并能够用经典计算机确认结果。”

加州理工学院的Maria Spiropulu教授和Jafferis是这项新研究的资深作者，该研究发表在12月1日的《自然》杂志上。主要作者包括麻省理工学院的Kolchmeyer和Zlokapa，以及费米实验室量子研究所和理论物理系的Joseph D. Lykken，以及谷歌量子AI的Hartmut Neven。该论文的其他加州理工学院和量子技术联盟(AQT)的研究人员包括萨曼莎·i·戴维斯和尼古拉·劳克。

幽灵般的动作在远处

在这个实验中，研究人员通过Sycamore 53量子比特量子处理器将一个量子态从一个量子系统传送到另一个量子系统，从而“通过虫洞”发送了一个信号。为了做到这一点，研究团队需要确定具有量子引力预测的特性的纠缠量子系统，但这些纠缠量子系统也足够小，可以在今天的量子计算机上运行。

“这项工作的核心挑战是找到一个足够简单的多体量子系统，同时保持引力特性，”Zlokapa说，他是麻省理工学院物理系的二年级研究生，在斯皮罗普鲁的实验室里开始了这项研究。

为了实现这一目标，该团队使用了来自机器学习的技术，采用高度交互的量子系统，并逐渐减少它们的连通性。这个学习过程的输出产生了许多行为与量子引力一致的系统示例，但每个实例只需要大约10个量子位——这对于Sycamore处理器来说是一个完美的大小。

Zlokapa说:“复杂的量子电路将使拥有数百个量子比特的大型系统不可能在今天可用的量子平台上运行，所以找到这样的小例子很重要。”

经典计算机验证

一旦Zlokapa和研究人员确定了这些10量子比特系统，他们就在其中一个系统中插入一个量子比特，在处理器上施加一个能量冲击波，然后在处理器上的另一个量子系统上观察相同的信息。该团队测量了从一个量子系统传递到另一个量子系统的量子信息的数量，这取决于施加的冲击波的类型，是负的还是正的。

“我们证明，如果虫洞被负能量冲击波撑开足够长的时间，两个量子系统之间就会建立起因果路径。插入到一个系统中的量子位实际上与出现在另一个系统中的量子位是相同的。

然后，研究小组用经典的计算机计算验证了这些和其他性质。“这与在经典计算机上运行模拟不同，”Spiropulu说。“尽管人们可以在经典的计算机上模拟这个系统——正如本文所报道的那样——但在传统的模拟中，也就是对经典比特、0和1的操作，并没有创建物理系统。在这里，我们看到信息通过虫洞传播。”

这项新工作为未来用更大的量子计算机和更复杂的纠缠系统进行量子引力实验开辟了可能性。Spiropulu补充说，这项工作并不能取代对量子引力的直接观测，例如使用激光干涉仪引力波天文台(LIGO)对引力波的探测。

Zlokapa和Kolchmeyer都热衷于了解这样的实验如何有助于推进量子引力。“我非常好奇，想知道在今天的量子计算机上，我们能在多大程度上探索量子引力。我们对后续工作有一些具体的想法，这让我非常兴奋。”Zlokapa说。

这项工作得到了美国能源部高能物理办公室QuantISED项目“基础物理的量子通信通道”资助。

注：本文由院校官方新闻直译，仅供参考，不代表指南者留学态度观点。