能⽤来“时空穿梭”的⾍洞，竟然被⾕歌量⼦计算机创造出来了？就在刚刚，全息⾍洞研究登上Nature封⾯，还被Quanta Magazine称为“有史以来创造出的第⼀个⾍洞”。此前在2019年，⾕歌的研究⼈员就在实验室⾥捣⿎⾍洞相关研究了。
没想到现在，科学家们不仅创造出了⾍洞，还观察到了信息在⾍洞之间传递的现象——他们在⼀个9量⼦位电路上，构造了⼀个稀疏Sachdev-Ye-Kitaev（SYK）模型，并观察到了⾍洞的特征。不过，先别急着幻想“空间跳跃”。与我们想象中的引⼒⾍洞不同，这个⾍洞是量⼦⾍洞，并不能穿越时空。这次全息⾍洞的进展，在于成功地将量⼦态通过⾍洞，由⼀个量⼦系统传递到了另⼀个量⼦系统。
⾍洞是爱因斯坦和内森·罗森提出的⼀种理论，被假设为⿊洞和⽩洞的连接。它就像是⼀个通道⼀样，其特性是可以在另⼀边得到⼀个所谓的“镜射宇宙”。但随着研究的深⼊，⾍洞也被分成了很多类型。⼈们想象中可以做时空旅⾏的“引⼒⾍洞”，更直观的称呼是“时空洞”；⾄于量⼦态的量⼦⾍洞，则被称之为“微型⾍洞”，两者有很⼤的差异。
这是因为，⼴义相对论和量⼦⼒学虽然各⾃都发展了很⻓⼀段时间，但它们之间仍然有⼀个根本性的“冲突”——量⼦引⼒。这两个学说对量⼦引⼒的理论没有达成⼀个共识，解决办法之⼀就是证明全息原理（holographic principle），即⽤⼀个低维量⼦系统来描述⼀个涉及引⼒的系统。全息原理中⼀个⾮常热⻔的实现就是AdS/CFT对偶（反德⻄特/共形场论对偶），它将量⼦场论和量⼦引⼒两种理论联系在了⼀起。
如果能想办法证明AdS/CFT理论猜想，那么就相当于证明了全息原理，进⽽将量⼦引⼒研究推动⼀⼤步。这次登上Nature封⾯的“⾍洞”，也是通过⾕歌量⼦计算机模拟出来的量⼦⾍洞，⽽且还是⼆维时空的。基于AdS/CFT这套理论，2019年⾕歌的物理学家们提出了⼀种实验假说，认为⼀个在物理实验室中可以再造的量⼦态，能被解释为在两个⿊洞之间的⾍洞中穿越的信息。
现在，来⾃⾕歌、MIT、费⽶实验室和加州理⼯学院的科学家们，⽤9个量⼦位、1台量⼦计算机模拟出了对应的量⼦动⼒学。在同⼀个量⼦芯⽚中，他们创建了两个纠缠的量⼦系统，并将⼀个量⼦位放⼊其中⼀个量⼦系统。结果，他们在另⼀个量⼦系统中观察到了这个量⼦位“穿越⾍洞”⽽来的信息，结果符合预期的引⼒性质。但对于这次⾕歌量⼦计算机模拟出来的⾍洞，在学术界引起了挺⼤的争论。
⼀⽅认为它对正在研究的理论帮助不⼤：荷兰拉德堡德⼤学量⼦引⼒理论学家Renate Loll认为，这次的⾍洞实验探讨的只是⼆维时空中的情况，即在⼀维空间+⼀维时间的情况下展开研究。但在我们实际⽣活的四维时空（三维空间+⼀维时间）中，量⼦引⼒却要更为复杂：做这种实验，容易让⼈们陷⼊2D玩具模型（⼀种刻意简化的模型）的研究中，反⽽忽视了四维时空和⼆维时空中量⼦引⼒的差异。
我看不出量⼦计算机对于（我们正在研究的）理论有多⼤帮助……不过如果我是错的，我很乐意接受纠正。另⼀⽅则认为，虽然⼆维时空和四维时空存在不同，但这次实验仍然可以获取不少“通⽤”的经验。⽽且随着这个全息⾍洞的出现，还会有更多⾍洞被模拟、被进⼀步仔细研究。要了解这个⾍洞的产⽣过程，时间不得不顺着研究往前推移。故事⾄少从2013年开始讲起。
当年的⼀次会议后，来⾃哈佛⼤学的Daniel Jafferis——⾍洞传送协议的⾸席开发者，也是本篇Nature封⾯的合著者——有了⼀个想法：通过推测的对偶性，可以经由调整纠缠模式来设计特定的⾍洞。Jafferis联⼿当时哈佛的研究⽣Ping Gao，以及访问学者Aron Wall开始进⾏研究。
直到2016年，三⼈最终计算得出：通过耦合两组纠缠粒⼦，当在左侧的那组粒⼦上执⾏⼀个操作后，在对偶⾼纬时空图像中，打开通往右侧的⾍洞⼝，可以推动⼀个量⼦位从中通过。他们发现的这个⾍洞，是全息的、可穿越的。⼏个⽉后研究⼈员进⼀步证明了，可穿越⾍洞可以在⼀个简单的环境中实现。⽽量⼦系统就是⼀个⾜够简单、⼜可以尝试制造的“简单环境”。
说到这⾥，需要引⼊⼀个新概念：SYK（Sachdev-Ye-Kitaev）模型。简单理解⼀下，SYK模型是⼀个物质粒⼦的系统，以群体的形式相互作⽤，并且这个模型在2015年被发现是全息的。量⼦引⼒理论家Juan Maldacena和合作者提出，两个SYK模型连接在⼀起，可以对Jafferis的可穿越⾍洞的两个⼝进⾏编码。
到了2019年，Maldacena和伙伴们找到⼀个具体的⽅法，可以将⼀个量⼦位信息，从⼀个四向相互作⽤的粒⼦系统传送到另⼀个粒⼦系统。在对偶时空图中，旋转所有粒⼦的⾃旋⽅向，会转化为⼀种横扫⾍洞的负能量冲击波。冲击波能把量⼦位向前推动，还能在可预测的时间点把量⼦位踢出⾍洞。
2018年，Jafferis本⼈和许多⾕歌量⼦⼈⼯智能（Google Quantum AI）的研究⼈员，⼀同加⼊了⼀个实验粒⼦物理学家的研究团队。团队核⼼领导者参与了希格斯玻⾊⼦的发现（2012年）。实验团队的主要⼯作是“如何使⽤量⼦计算机进⾏全息量⼦引⼒实验”。要知道，量⼦计算机虽然先进，但是仍然很容易出错。要在上⾯运⾏Jafferis的那个⾍洞传送协议，实验团队必须搞出协议的超级简化版本。
为什么呢？因为⼀个完整的SYK模型，由⼏乎⽆限多的粒⼦组成。当四向相互作⽤贯穿模型始终，这些粒⼦会以随机强度相互耦合。因此，想要计算完整过程，⼏乎是天⽅夜谭。为了将协议⼤⼤简化，实验团队稀疏化了SYK模型，只编码其中最强的四向相互作⽤（忽略其余的），同时保留模型的全息性质。稀疏化的想法来⾃ML，即试图通过把尽量多的权值设置为零，来限制神经⽹络中信息的细节。
与之类⽐，团队把⼀个⼤量⼦系统看作⼀个神经⽹络，通过反向传播更新系统的参数，⼀是保持重⼒特性，⼆是缩减系统的大⼩。花费⼏年时间，团队终于利⽤上述的“聪明办法”，创建了这个只需要7个量⼦位和数百个操作的全息⾍洞。团队成员把SYK模型的粒⼦相互作⽤，映射到神经⽹络的神经元之间的连接上，并训练系统在保留⾍洞特征的同时，尽量删除⽹络连接。如此⼀来，四向相互作⽤的次数，从⼏百次骤减到5次。
事情突然变得（相对）简单了起来，实验团队开始编写Sycamore的量⼦位。7个量⼦位编码14个（左、右SYK模型各7个）物质粒⼦，左边的每个粒⼦都和右边的⼀个粒⼦纠缠。第8个量⼦位处在状态0和1的概率组合中，然后与左边SYK模型中的⼀个粒⼦减缓。这个量⼦位的可能状态很快就会与左边其它粒⼦的状态纠缠在⼀起，它的信息会很均匀地散布在他们中间，就像⼀滴墨⽔滴在⽔⾥然后均匀扩散开。
紧接着，旋转所有的量⼦位的⾃旋⽅向，与负能量冲击波横扫⾍洞相对，这会导致从左侧SYK模型进⼊的量⼦位，转移到右侧SYK模型。它们会重新聚焦在右边的⼀个粒⼦（左边粒⼦被交换后的纠缠对象）所在的位置。然后要做的，就是测量这些量⼦位的状态，并将统计数据和从左侧进⼊的量⼦位的准备状态相⽐较，来证明量⼦位有没有从左到右被传送过来。
如果以⼀⾔以蔽之，那就是：通过全息原理从量⼦信息的语⾔翻译成时空物理学，让⼀个粒⼦落⼊⾍洞的⼀边，并观察它在另⼀边是否出现。实验团队在上述数据中，寻找代表两种情况的峰值。如果能够看到峰值，就意味着双负能量冲击波的量⼦位旋转，允许量⼦位传送；⽽双正能量冲击波的相反⽅向旋转，不允许量⼦位传送（⽽且还会导致⾍洞关闭）。两年时间，实验团队⼀直在逐步改进，降低实验噪⾳。
这⼀点对测量信号⾄关重要，因为即使是1.5倍的噪⾳也会完全掩盖信号。今年1⽉份的深夜，在团队成员的电脑屏幕上，峰值出现了！在峰值截图旁，这名实验者写下：我认为我们现在看到了⼀个⾍洞。这个峰值是“第⼀个在量⼦计算机上可以看到的量⼦引⼒的迹象”。团队核⼼⼈物惊讶极了，清晰⼜明显的峰值，让她跟当初看到希格斯玻⾊⼦的数据时⼀样激动不已。
更重要的是，虽然这个⾍洞结构简单，团队还是探测到了⾍洞动⼒学的第⼆个特征，即“尺⼨缠绕”（size-winding）。这是信息在量⼦位之间传播和不传播的微妙模式。⽬前，实验团队还没有训练神经⽹络来保存这个信号，因为这个信号让SYK模型稀疏化了。当然，这次的实验也发现了另⼀个事实：⽆论SYK模型如何，尺⼨缠绕这⼀特征都会出现。这般如此，如此这般，耗费数年时间，这个⾍洞终于由⾕歌量⼦计算机模拟了出来。
不得不说，量⼦计算机是⼀种探索量⼦重⼒理论的⼯具。这个⼯作，仅仅代表着使⽤量⼦计算机探究物理学的其中⼀个步骤。尽管存在争议，但是这项前所未有的实验，探索了时空以某种⽅式从量⼦信息中产⽣的可能性。随着量⼦装置的不断改进，错误率会更低，芯⽚会更强，那么对引⼒现象的研究也会更加深⼊。⽽引⼒只是量⼦计算机探索复杂物理理论的独特能⼒的⼀个范例，量⼦计算机还能对时间晶体、量⼦混沌和化学进⾏洞悉和观察。
所以说，遇事不决，果然是可以量⼦⼒学的啊～