关于虫洞和量子计算机的真相

每当遇到可以用科学解释时，你应该问自己一个问题:“什么是真实的？”只有通过审视这个问题的答案，特别是看一看有完整的证据证明什么是可能的，什么被认为在科学上是正确的，你才能得出一个负责任的结论。如果我们考虑其他任何因素，包括我们所希望的，我们所害怕的，或者那些没有根据的猜测，我们几乎会误入歧途。毕竟，如果证据不足以说服那些有专业知识的人，那么对我们来说仍需努力收集。

2022年11月30日，《自然》杂志发表了一篇论文，声称在量子计算机上模拟了一个虫洞，声称观察到的特征可能与我们自己的宇宙中可能存在的真实、可穿越的虫洞相关联。这个故事有三个部分：

1. 广义相对论中的虫洞物理

2. 在量子计算机上进行的实际模拟

3. 我们真实的宇宙和量子计算之间的联系

如果我们想要将真实情况与许多人(包括该研究的一些作者)公开发表的推测性、未经证实的主张区分开来，我们就必须确保这三个部分都正确。让我们深入了解这三个方面。

虫洞的物理学

在广义相对论中发现第一个精确且重要的解决方案 —— 史瓦西解决方案（对应一个不旋转的黑洞）后不久，虫洞的概念便诞生了。要得到这个解决方案，你所要做的就是在完全平坦的空间里放一个体积无穷小，质量有限的物体。无论你把它放在哪里，都会有一个具有特定质量的黑洞，周围环绕着一个由该质量决定的特定半径的事件视界。爱因斯坦在1915年底完成了广义相对论的表述，而在1916年初，卡尔·史瓦西发表了这个早期的、非凡的解决方案，至今仍有意义，并被广泛使用。

许多人意识到，如果你能够将宇宙中一个位置的史瓦西黑洞（具有正质量）与另一个位置的负质量/能量对应体连接起来，理论上你可以“桥接”这两个位置。用现代的说法，那座桥现在被称为虫洞。最初，这个理论解决方案是由Flamm在1916年发现的，然后是Weyl在1928年再次发现，最著名的是爱因斯坦和内森·罗森在1935年再次发现。

也被称为爱因斯坦-罗森桥，这个早期的理论工作为我们在广义相对论的背景下对虫洞的理解奠定了基础。虽然这些早期的虫洞在某种意义上有一种病态现象，即它们会撕裂并摧毁进入它们的物质，但当物质试图通过它们时，但已经有人提出了许多扩展方案来帮助在物质试图通过时 “保持这些虫洞开放”。我们通常把这种虫洞称为可穿越虫洞，我们在科幻小说中遇到的大多数虫洞正是这种类型的。

虫洞在物理上是否存在仍然是一个争论激烈的问题。的确，我们可以用数学方法写出包含它们的爱因斯坦方程的解，但是数学和物理不一样。数学告诉你什么是在物理可能性的范围内的，但只有真实的宇宙本身才能向你揭示什么在物理上是真实的。到目前为止，我们仍一无所获。

我们观察过真实的黑洞；没有任何证据表明它们是虫洞。我们观察到很多正能量系统；不存在本质上负能量的系统。我们已经观察到很多拥有三维或更少空间维度的系统；目前还没有一丝证据表明存在第四个(或更高)空间维度。

据我们今天所知，我们宇宙的最大障碍似乎是缺乏所谓的“外来”物质。看待这种情况的最简单的方法是将空间想象为具有来自所有来源的平均能量密度：物质，辐射，甚至真空空间本身的零点能量。当你有正能量时，空间曲线会响应它；这就是大质量粒子表现出万有引力现象的原因。到目前为止，我们在宇宙中所探测到的都是具有正数值的物质和能量。

但如果你想要一个可穿越的虫洞，你需要某种物质或能量，它的值是负的，至少相对于宇宙的平均能量密度是负值。尽管我们可以创造出具有这种性质的小空间区域——例如，两个平行导电板之间的空白空间，比如展示卡西米尔效应的装置——但目前还没有已知存在的负能量量子。

如果虫洞真的不存在，那么额外的空间维度，额外的场，或者某种普朗克尺度的桥（可能只允许信息的传输，而不是物质的传输）是广义相对论中虫洞物理产生的唯一途径。

量子模拟

在他们最近的论文中，作者创造的并不是一个真正的虫洞本身，而是一个量子电路，它具有一些类似于引力虫洞的行为和特性。这是建立在早期工作的基础上的，其中一些需要重新叙述，以便理解这项最新工作的重要性。

此前，该团队的一些成员已经编造了一个场景，在两个拓扑连接的点之间传输负能量脉冲，该脉冲用于量子隐形传态：将量子态从两个连接点的“一边”转移到另一边。

这是一个有趣的应用程序，但很难看出它是如何与虫洞和重力联系起来的。唯一关于虫洞之间存在联系的说法——是在2013年，胡安·马尔达塞纳和伦纳德·萨斯金德推测，虫洞或爱因斯坦-罗森桥相当于一对最大程度纠缠在一起的黑洞。这种联系有时被称为ER = EPR，以指出虫洞（或爱因斯坦-罗森桥）与量子纠缠有关。第一篇关于纠缠的论文是由爱因斯坦，鲍里斯·波多尔斯基和罗森撰写的。

我们知道，完整的物理系统太过复杂，无法以任何精度进行模拟，因此作者做了几乎所有理论物理学家都会做的事情：他们对整个问题建立了一个更简单的近似模型，他们的想法是，通过模拟简单的近似模型，“真正的虫洞”的许多关键属性仍然存在。部分原因是我们现有技术所能模拟的东西有限，部分原因是人类在我们所能创造的模型质量方面是多么有限，如机器学习被用来设计实验装置。

加州理工学院的Maria Spiropulu，“我们采用技术来寻找和准备一个简单的量子系统，可以在当前的量子体系结构中进行编码，并保留所需的属性……我们简化了量子系统，并研究了我们在量子处理器上发现的有效模型。”

实验再次表明，就像之前的实验一样，量子信息从一个量子系统传播到另一个量子系统：这是量子隐形传态的另一个例子。

真实宇宙和这个“量子虫洞”模拟之间的联系

我们为什么要关心这项工作，如果有的话，它能告诉我们虫洞和量子计算机所能做的模拟之间的联系吗?

一向严谨的《量子》杂志对在量子计算机上进行的模拟进行了准确而深入的报道，但在这一方面却完全失误了。

首先，量子计算机的使用没有教给我们任何我们不能从使用经典计算机和手工计算中学到的。事实上，这个由量子计算专家和理论物理学家组成的研究团队所完成的唯一新颖的事情是，他们能够使用机器学习成功地将以前复杂的问题简化为一个可以在量子计算机上使用少量量子位进行模拟的问题。这是一项令人印象深刻的技术成就，值得庆祝。

但相反，许多人在庆祝这一成就，因为它不是：有证据表明虫洞与我们的物理宇宙有关系，或有证据表明这种量子模拟提供了一个窗口，了解虫洞在我们的宇宙中的实际行为。

在他们的模拟实验中只使用了9个量子位。9个量子比特意味着编码的量子波函数最多需要512个复数来描述它，这是一个足够简单的波函数，可以很容易地在经典计算机上模拟出来。事实上，这些研究人员在量子计算机上进行模拟之前，就在一台经典计算机上进行了模拟！(与2022年量子计算过程产生的量子误差极限的结果相同。)

换句话说，在量子计算机上进行模拟，除了他们期望在这个简单的9量子位模拟中持续存在的行为之外，没有学到任何东西。尽管这对未来类似的模拟来说是个好兆头，但除了展示量子计算机的一些潜力之外，它并没有提供任何深刻的、基本的见解。

那和虫洞的联系呢？广义相对论中基于引力的虫洞可能适用于我们真实的物理宇宙？

这是最具推测性的。首先，它假设全息原理——即空间体积内的所有物理特性都可以在该空间的低维边界上编码——实际上是尚未发现的量子引力理论的一个特性。其次，他们没有使用AdS/CFT对应关系（AdS/CFT对应关系是5D反德西特空间与定义该空间边界的4D共形场论之间建立的数学等价关系），而是使用了Sachdev-Ye-Kitaev模型与二维反德西特空间之间的暗含对应关系。

这有点拗口，但这意味着他们将“我们的宇宙”中的引力建模为具有一个时间维度，一个空间维度和一个负的宇宙常数，然后采用可能在数学上等效的描述（Sachdev-Ye-Kitaev模型）并进行模拟。他们观察到的一些特性与可穿越虫洞的一些行为类似，但这并没有提供关于我们实际宇宙中可穿越虫洞的行为的见解。

关于可穿越虫洞或它们是否存在于我们的宇宙中，我们没有任何经验可吸取。甚至没有任何关于量子计算机的独特性或能力的经验，因为在量子计算机上完成的一切都可以在传统计算机上完成。最好的结果是，研究人员在通过经典方法对Sachdev-Ye-Kitaev模型进行了详细的计算后，能够在量子计算机上进行类似的计算，这种计算实际上返回的是信号，而不仅仅是量子噪声。

是时候面对现实了。如果你想研究一些与我们的宇宙相关的东西，那就使用一个与我们的宇宙类似的框架。如果你只是在制作一个模拟系统，就要诚实面对模拟和系统的局限性；不要假装它和你过度简化的东西是一样的。这项研究永远不会导致真正的虫洞的产生，也不会像自旋冰实验表明“磁单极子存在”那样表明“虫洞存在”。

虫洞和量子计算机可能仍然是物理学家非常感兴趣的话题，对Sachdev-Ye-Kitaev模型的进一步研究可能会继续下去。但虫洞和量子计算机之间的联系实际上是不存在的，而这项研究——尽管被大肆宣传——也丝毫没有改变这一事实。