科学面临的一大挑战是调和构成现代物理学基础的两个理论。一个是支配宇宙最小尺度的量子场论，另一个是支配宇宙最大尺度的广义相对论。这两个理论共同准确地描述了跨越四十个数量级的现象。
让研究人员感到困惑的问题是：当这两个理论重叠时会发生什么？换句话说，引力在量子尺度上是如何表现的？答案——量子引力的本质——之所以难以捉摸，是因为它非常微妙，其影响如此之小，以至于用目前的传感器观察它的前景渺茫。
但是，还有另一种玩转量子引力的方法：在量子计算机上模拟它。现在，物理学家们已经开始着手进行这样的模拟，尽管他们还没有模拟出量子引力本身，但他们表示，这个过程已经揭示了一种新现象：一种能够将经典信息完美地从混沌的量子系统中传输出来的方法。
加州劳伦斯伯克利国家实验室的Illya Shapoval及其同事表示：“这是一个令人惊讶的结果，因为人们不期望强烈的纠缠系统能够传输经典比特。”
信息即万物
更重要的是，这种关于量子引力的新思考方式极其富有成效。“开发实用实验方案的过程本身就带来了对量子动力学的新理论见解，”他们补充道。
该团队的方法建立在近期对量子引力理解的理论进展之上。全息原理认为，我们所见的我们周围的三维现实是一个编码在遥远的二维表面上的全息图。
在这个理论中，引力源于二维表示，并且这种涌现在一种称为共形场论（CFT）的量子场论与一种称为反德西特空间（AdS）的广义相对论之间建立了联系。
物理学家称之为AdS/CFT对应关系，这是他们目前关于量子引力本质的最佳猜测。然而，该理论中潜在的可测试预测非常微妙，且尺度极小，以至于没有人找到观察它们的方法，更不用说，AdS/CFT理论只在与我们的宇宙截然不同的宇宙中才有效。
但他们确实发现了一些有前景的研究方向。其中之一是研究量子信息在两个黑洞之间流动的方式。事实证明，在这些极端条件下，有可能将量子信息从一个黑洞瞬移到另一个黑洞；而这个实验类似于信息穿过它们之间的虫洞。
这种“虫洞启发式瞬移”的过程在物理学家中引起了极大的兴奋，因为它在某些方面应该可以在我们的宇宙中进行测试。这些测试的结果应该会为AdS/CFT对应关系和量子引力的本质提供新的见解。
这正是Shapoval及其同事的新工作所在。尽管无法直接观察到这种现象，“但也许我们可以利用量子模拟器和量子计算机在实验室中间接探测量子引力，”他们建议。
而这正是他们利用两种类型的量子计算机所做的事情。第一种是基于超导 Transmon 作为量子比特的芯片式量子计算机的IBM Quantum设施。这种设备最多可支持七个量子比特的计算。第二种是Quantinuum离子阱量子处理器，最多可处理六个量子比特。
虫洞启发式瞬移
该团队开发了量子软件，可以在两种量子计算机上重现虫洞启发式瞬移，然后对其结果进行了表征。Shapoval及其同事表示：“我们在IBM和Quantinuum量子处理器上设计并进行了‘虫洞启发式’多体瞬移实验，并观察到了与预测一致的信号。”
其中一项成果是，他们能够完美地传输一个经典比特，尽管同一系统会扰乱量子信息。
为什么会这样尚不清楚。但这提供了一个进一步研究的途径。特别是，研究人员好奇这种机制是否在以这种方式传输信息方面有任何优势。该团队表示：“我们的发现引发了关于AdS/CFT中可穿越虫洞能够传输经典数据但不能传输量子数据的新问题。”
这仅仅是开始。该团队已谨慎地确保其方法适用于其他量子计算机，并且随着这些设备功能越来越强大，其方法也将具有可扩展性。虽然这种方法不能直接测量量子引力，但它应该有助于物理学家探索未来能够揭示量子引力的实验和理论架构。
他们说：“更大的启示在于，开发实用实验方案的过程本身就带来了对量子动力学的新理论见解。“我们得出结论，我们可能已经达到了一个可以从中获得定性和定量上显著结果的地步，即使是更先进的实验也可以朝着这个方向进行。”
这项工作非常有趣，如果它最终能提供可测试的量子引力证据，并找到统一量子场论和广义相对论的途径，其意义将是深远的。但即使它不能，它所带来的关于信息的新思考方式也应该能让物理学家们获得很多启发。
参考：在量子处理器上走向实验室中的量子引力：arxiv.org/abs/2205.14081
