从虫洞到时间晶体：量子模拟创造现实了吗？

当科学家们在去年11月报道他们创造了一个时空虫洞时，世界媒体都在报道这件事，尽管他们很难理解这件事。《联合国国际法杂志》(UNILAD)网站的一位记者甚至写道：“这一切都非常复杂和新奇。”

在许多观察者看来，加州理工学院的物理学家Maria Spiropulu和她的同事们其实只是用量子计算机模拟了一个虫洞。让人困惑的是，研究小组坚持认为这项工作不仅仅是模拟。研究人员说，量子计算完全等同于创建虫洞。如果你觉得难以接受，那是正常的：其他物理学家们往往也搞不太清楚，看来，人们确实对量子计算是创造真实实体还是仅仅模拟实体感到困惑。

据说，量子计算机最近创造出的东西还不止臆想中的虫洞——还有诱人的时间晶体，以及被吹捧为下一代量子计算机理想基础的、被称为“非阿贝尔任意子”的奇怪粒子。这是对自20世纪初量子力学问世以来困扰物理学的谜题的一种新的诠释：什么才是真正的真实？

普通计算机使用晶体管作为开关，对二进制代码中的比特进行编码。我们可以用它们来模拟各种物体和过程；但是，如果说对分子或大气系统的模拟真的创造了这些东西，那就太荒谬了。量子计算机使用量子比特来代替编码的1和0。它们通常是量子粒子（如光子或冷原子），其特性用量子力学的语言来描述，使用一种抽象的数学对象——称为“量子函数（awave function）”。量子规则允许量子比特相互纠缠，因此一个比特的情况显然会影响另一个比特的情况。这种计算方式通常可以加快某些计算的速度。

换句话说，量子计算机内部的量子比特是用解释构成万物的基本粒子的相同理论来描述的。这就是理查德·费曼在1981年首次提出这种计算建议的动因。他说，“为什么不使用管理这些系统本身的相同量子规则来模拟物理系统，而不是用传统比特进行笨拙的近似计算呢？”

为了理解为什么这会模糊模拟与现实之间的界限，让我们暂时把虫洞放在一边，看看最近另一项使用量子计算机的实验。这种粒子是任意子的一种，是理论物理学家Frank Wilczek于1982年首次提出的一种粒子假说。任意子具有介于两类正常基本粒子（玻色子和费米子）之间的奇特性质：玻色子携带力、费米子构成物质。

1997年，物理学家Alexei Kitaev证明，假想的非阿贝尔任意子可以相互移动（或物理学家所说的“编织braided”），以保留对这些移动的记忆，从而可以对量子信息进行有效编码。这意味着非阿贝尔任意子可以充当量子比特，而不容易出现困扰现有量子计算的随机错误。Kitaev认为，这种非阿贝尔任意子可以在某些材料中作为“准粒子”产生——即作为材料中电子的集体出现状态。但在今年6月，加利福尼亚州的谷歌量子AI、中国杭州的浙江大学以及量子计算公司Quantinuum在德国和科罗拉多州的实验室的研究团队声称，他们已经在量子计算机中制造出了这种实体。他们将量子比特“诱骗”成具有波函数的状态，这些波函数与非阿贝尔任意子的奇怪预测特性相对应。

这是创造还是模拟？

假设我们想在量子计算机上模拟一个氢分子，这个分子是由两个质子和一团电子组成的。量子模拟可能具有与这些成分完全相同的波函数，但它显然与现实世界中的物体并不相同。我们知道氢分子是什么，但它不是量子比特的集合。

这是谷歌量子人工智能公司的Adam Zalcman用来解释为什么他认为团队真的“制造”出了量子计算机芯片中的非阿贝尔任意子比特的框架。他表示，当你问一个模拟是否真实时，问题在于量子计算机所做的事情是否与真实世界有对应关系、可以映射到真实世界。他说：“在量子处理器中纠缠两个量子比特并不涉及将它们的状态映射到不同于处理器本身的任何系统的状态。”

“与此同时，非阿贝尔任意子是一种假想粒子；据我们所知，在现实中并不存在。”因此，对于Zalcman来说，没有任何东西可以映射。“芯片上发生的过程是非阿贝尔编织，因此我们说我们的研究是一种实现，而不是模拟。”

德克萨斯大学奥斯汀分校的计算机科学家Scott Aaronson也提到了映射问题，他说：“这取决于我们谈论的是什么样的‘东西’。”

事实上，Wilczek还构想出了一种完全不同的量子物体，现在也出现在这场辩论中。2012年，他在大学教授一门关于晶体结构的课程，课程中的原子排列会在空间中周期性地重复。他推测有一种晶体不是在空间维度上重复，而是在时间上重复；这些时间晶体的成分会随着众所周知的钟表滴答声而改变（比如说四处移动），但每隔一段时间就会恢复到原来的状态，直到永远。

2021年，加州斯坦福大学、谷歌量子人工智能公司、德国马克斯-普朗克复杂系统物理研究所和牛津大学的科学家团队利用谷歌的Sycamore量子计算处理器制造出了时间晶体。

量子比特产生的状态完全符合量子离散时间晶体所预测的时间周期性行为。量子计算“正在模糊这些界限”，实验团队认为，在经典计算机上模拟量子时间晶体与他们团队所做的是有区别的。“在前一种情况下，物理系统（经典计算机）的演化方式看起来与我们感兴趣的物理学毫不相干，但输出的数字却复制了假想实验的结果。然而，以研究人员所做的方式使用量子计算机本身就是一种实验，因为它涉及量子对象（量子比特）在时间晶体中做它们应该做的事情。”

麻省理工学院的量子信息理论家Seth Lloyd也有类似的看法。问题在于量子比特是否一直在做它们所模拟的系统所期望的事情。他说，在非阿贝尔任意子的情况下，它们确实在做；但如果没有，那就是模拟。

加州大学伯克利分校的物理学家Norman Yao是研究量子集体行为的专家。对他来说，这归结为一个有用性问题。

比如说，我们之所以对室温超导体感兴趣，是为了无损耗地输送电力或让高速列车悬浮起来。但是，如果你把一堆量子比特放入与超导状态相对应的波函数中，就永远无法用它来做这些事情。Yao说，另一方面，非阿贝尔任意子可能同样适用于容错量子计算或拓扑量子计算，就像在某种固态材料中制造它们一样。“在我看来，这使得他们编织出非阿贝尔任意子吗？还有一个令人头疼的问题，那就是如何与现实世界的系统进行比较。”

现在让我们来看看虫洞事件。Spiropulu和她的同事们所做的事情与物理学核心的一个长期难题有关：广义相对论将空间和时间描述为平滑和连续的，而量子力学则将自然界描绘为从根本上离散和颗粒状的。量子引力理论能否调和这两种观点？其中一种被认为最有希望的方法认为，我们生活在一个全息图中，其基础是AdS/CFT对应关系。这是由理论物理学家Juan Maldacena于1997年首次提出的，它断言广义相对论中出现的一种名为反德西特空间的时空几何与一类量子场论之间存在某种关系。换句话说，AdS/CFT猜想是弥合平滑相对论时空与颗粒状量子世界之间鸿沟的一种可能方法。

这一想法的一个可能含义是，时空本身可以被认为是由纠缠的量子粒子编织而成的。真是令人兴奋。但是，如果猜想是正确的，那么就有可能把广义相对论对时空虫洞的描述（不同空间区域之间的捷径）转化为纠缠量子比特之间的一组关联。

在量子计算机的量子比特之间建立这样的相关性，AdS/CFT认为这在形式上等同于一种虫洞。甚至可以在纠缠的量子比特之间传输或“隐形传态”信息，这种方式看起来等同于通过虫洞发送信息。

Spiropulu和她的同事大致就是这么做的，不过他们实际上使用了一种叫做SYK的模型来设置他们的量子比特，这是AdS/CFT对应关系的一种简化近似。他们使用谷歌Sycamore芯片上的九个量子比特进行了实验，发现量子比特之间“穿越虫洞”的信息量子远传产生了这种等价性的预测信号。

2022年11月，他们的论文发表在《自然》杂志上，标题听起来像是科幻小说：“Traversable wormhole dynamics on a quantum processor”。

这里与非阿贝尔任意子和时间晶体的研究有很大不同。SYK模型不仅是AdS/CFT量子引力描述的简化版本，而且AdS/CFT所假定的广义相对论与量子场论之间的对应关系纯属假设，尤其是因为我们的宇宙并不存在反德西特时空。因此，这里的问题并不在于用量子比特制造某种量子态是否就是制造了这个东西本身，而是这个东西是否与物理现实有任何关系。

虫洞一般被理解为时空的一部分，它能实现特定的操作，比如从这里到那里的一次跳跃；量子芯片输出的数字不会让你做任何事情。

Aaronson说：“我认为，如果科学家们所做的一切只是在经典计算机上对虫洞进行编程模拟，那么没有人会对科学家‘创造了虫洞’的说法留下深刻印象。我拒绝接受在量子计算机上模拟虫洞会使情况有本质区别的观点。”

撇开虫洞不谈，如果量子计算机中的进程与现实相对应，那么它能走多远？例如，在Netflix最新播出的《黑镜》（Black Mirror）系列中，“糟糕的琼(Joan is Awful)”一集中，量子计算机创造了一个另类现实，里面的人物感觉完全真实。

根据量子模拟需要映射到的我们是由原子组成的实物这一原理，这种计算出来的“另一种现实”的确只是一种模拟。

但一些研究人员认为，所有的现实归根结底都是一个描述量子信息模式的巨大量子波函数。从这个宇宙的角度来看，事情就变得有点模糊了：是什么让一个波函数比另一个波函数“更真实”呢？事实上，有些人认为我们很有可能就是这样一个由外星超级智能体创造的量子模拟。

参考链接：

[1]https://www.scientificamerican.com/article/confirmed-we-live-in-a-simulation/

[2]https://www.newscientist.com/article/mg25934511-300-from-time-crystals-to-wormholes-when-is-a-quantum-simulation-real/