谷歌量子计算机造出史上首个虫洞，发表 Nature 封面文章，如何看待这一成果？

日前，来自美国加州理工学院的Maria Spiropulu领导的团队使用谷歌的量子计算机对全息虫洞进行量子「模拟」。据称，该研究团队创造了有史以来第一个虫洞。论文作者表示，他们的这项试验研究，首次演示了今后使用量子计算机测试量子引力理论的潜在可行性。该研究论文于11月30日登上《自然》（Nature）杂志封面。


论文地址：
Traversable wormhole dynamics on a quantum processor

可以看看Susskind和Adam Brown写的关于这个研究一个简短的介绍：
A holographic wormhole traversed in a quantum computer印象里面这个论文应该不是这个方面的第一个验证性的实验的。五月份的时候我先是看到了Brian Swingle的一个文章
Towards Quantum Gravity in the Lab on Quantum Processors所以在看到nature上那个文章以后还以为是Swingle他们的正式发表了，但点开才发现不是同一伙人 。后来在备课考虑怎么去讲quantum information scrambling的时候发现类似的实验其实早就有人开始做了，比如
Verified quantum information scrambling里面就用量子线路模拟了一个由虫洞连接的two-sided blackhole。相关的teleportation through the wormhole设想应该是17还是18年的时候Susskind他们就提出来了，然后19年和21年的时候分别挂到arXiv上的Quantum Gravity in the Lab: Teleportation by Size and Traversable Wormholes和Quantum Gravity in the Lab: Teleportation by Size and Traversable Wormholes, Part II里面应该就有理论证明和一些数值模拟了
Quantum Gravity in the Lab: Teleportation by Size and Traversable WormholesQuantum Gravity in the Lab: Teleportation by Size and Traversable Wormholes, Part II然后这几天宣传我当助教的那个量子计算的课的时候已经把模拟虫洞这个当成卖点了             现在有了这个文章以后，加上Swingle那个文章，明年再上课的时候就可以把这个留成作业了23333333瞬间感觉备课任务减轻了不少

这是一个十分前沿而又牵强附会、高度投机的研究。
当我说“前沿”的时候，我是认真的，我想这也是Nature愿意刊登它的原因之一。但它同样也是如此远离任何可以通过观察或实验来验证的东西，它必然会让许多专业物理学家深感怀疑。
不过我还是希望大家能抛开“虫洞”“量子计算机”这类吸引眼球的词语，看到这个研究后面真正的背景。所以我愿意花点时间来回答一下，事实上我也很喜欢基于这个妄想理论的对这个世界的一些深远的想法（至少作为科幻小说来看的话一定是顶级的）。
说它“前沿”不是因为它是一个崭新领域，事实上这个领域非常古老：
往前可以追溯到张量网络、全息理论、量子纠缠、AdS/CFT对偶、弦理论、黑洞热力学，都与它相关。
你看，就是一锅理论的大杂烩，而且我下面将提到它们是“一环扣一环”的。这就是它的“前沿”之处。
我认为该理论最初的起源是一个描述从Kerr黑洞提取能量的被称为“彭罗斯过程”的研究。彭罗斯在1969年提出“在任意变化下，黑洞的事件视界的表面积都会增加”的猜想[1] [2]，并开始备受关注。随之而来的是“黑洞热力学”的诞生。关于黑洞热力学我在以下回答中有提到过，可以参考：
重力对热力系统有影响吗？ - 知乎 (zhihu.com)
在黑洞热力学中有一个著名的也是我最喜欢的一个公式——黑洞熵公式：

看看这个公式中蕴含着多少信息：
→ 热力学
→ 面积；几何学（由此发展出全息理论）
→重力；广义相对论
→量子力学
你看，在黑洞这里，所有的这些理论已经自然而然地汇聚在了一起。这个式子表明在量子引力和热力学之间存在着深刻的联系。另外，黑洞所具有的自由度比其实际的外观要低一个维度（熵与面积而不是体积成比例），暗示量子引力可能表现出所谓的“全息性”。
另外，黑洞热力学还会引起一个别的问题，就是黑洞的“信息悖论”。从黑洞热力学我们可以推导出黑洞具有温度，会释放出（霍金）辐射，这意味着任何黑洞迟早都会蒸发殆尽。那么黑洞内部本应守恒的信息跑到哪儿去了呢？这曾引发了一场大讨论。我在下面回答中也进行过阐述：
基本粒子都是那么小吗？有没有「巨型基本粒子」？ - 知乎 (zhihu.com)
如果说信息被复制到了“霍金辐射”中，那意味着存在着两份信息。于是1993年Susskind等人提倡的“黑洞互补性原理”[3]认为黑洞视界内外的信息类似于量子力学中的不确定性，即一份信息同时存在于视界内外（更准确地说信息在里面还是外面决定于观察者从哪儿观察）。这直接导致由't Hooft提出[4]并由Susskind发展[5]的“全息原理”的诞生：即由引力主导的三维空间物理过程，通过某种变换可以使其跟在黑洞视界的二维表面看到的一样，在这个表面上的二维方程就能描述所有的物理过程且不需要在方程中引入引力。
而让互补性原理及全息原理得到强有力的支持的则是基于弦理论的“AdS/CFT对偶”[6]。AdS/CFT对偶证明了：d+1维的Anti-de Sitter(AdS)时空中的基于弦理论的量子引力理论（包含引力子）实际上等价于d维时空中有共形对称性的量子场论（共形场论；不包含引力或引力子），即该d维时空是d+1维AdS时空的边界。AdS/CFT对偶可以说是弦理论框架里的最重要结论之一，甚至可以说是弦理论的精华。关于这一块，可以参见我的如下回答：
你认识的超弦理论是怎样解释黑洞的？ - 知乎 (zhihu.com)



不好意思，我们还没有进入主题，恳请各位绅士再耐心等待一会。
那么，我们再回到黑洞信息丢失的悖论上来。根据全息原理，黑洞的蒸发就类似于通常物质发生的由液体蒸发为气体的过程，因此信息并没有丢失。
但是，在引力理论的立场下如何去具体阐述信息是如何被重建的问题依然没有得到解决。引力理论下的黑洞熵的起源仍是一个迷。
对于信息的保存方式，目前的一个解决方案是量子纠缠。
但2012年，又有一个名为“黑洞火墙悖论”被提出[7] [8]。该理论认为从视界逃逸出来的霍金辐射粒子必须与之前逃逸出来的所有粒子组成的系统相纠缠才能携带信息。由于量子力学要求一个粒子只能与一个系统纠缠，因此该逃逸粒子必须切段与落入视界粒子的纠缠。
这意味着黑洞视界必须成为一道火墙阻止所有物体掉入视界，然而这与广义相对论相悖。为在不破坏广义相对论的前提下解释黑洞火墙悖论，Maldacena和Susskind被迫提出ER（虫洞）=EPR（量子纠缠）猜想，认为两个纠缠的粒子间其实是通过微小虫洞联系的[9]。
好了，我们终于看到了主题。
ER（虫洞）=EPR（量子纠缠）

这就是题目中的研究在探讨的东西。
事实上，我们从上面的讨论中已经得到了如下的结论：

• 黑洞内部的信息量=表面积
  
• 弯曲时空的引力理论=强耦合的规范场论
  
• 时空的几何构造=量子纠缠的构造（虫洞）
  
• 引力动力学=量子纠缠的热力学
  

而第3点——时空的几何构造等同于量子纠缠的构造，即虫洞连接——就是我们在讨论的问题。
为了证明这个猜想不是空想，我们需要数学工具。具体的实现的手段之一就是张量网络（tensor network）。张量网络是通过把量子状态用几何学来表述的手法用解析复杂量子系统的强有力道具。在多体量子系的数值计算中，作为变分法的拟设提出。这篇Nature论文中提到的SYK模型就是在做类似的事情。正如题目中提到：他们成功地在计算机上制造出了“全息虫洞”。




好了，就是这样的。你可以看到这个研究已经走到了有多远，它真的足够“前沿”。但现实是，我们甚至连目标的方向在哪儿都还不知道。毕竟，到目前为止，霍金辐射、弦理论、宇宙常数为负的AdS时空（实际上更现实的宇宙中，宇宙常数反而被期待为非负）、黑洞信息问题中，还没有一个已经得到哪怕是一点点的证实。
而这篇Nature的论文就是建立在所有这些假设之上的。

我觉得是挺有意思的工作，虽然这新闻有点标题党。
还没读论文，不知道它是如何论证有对偶引力的特性的(而不只是简单的量子隐形传态)，但只要这个论证能大体说得通，那就是重要的进展。
因为那就是在某种意义上用量子模拟验证了量子引力的ER=EPR（虽然是在一个玩具模型中），而像这样的非微扰量子引力的想法，那怕稍微有一点进展都是极为值得关注的事情。

个人认为这个工作理论和实验价值都相当有限。找fancy的理论模型硬搞大新闻。

• 理论方面：
  
  
  
  • 和已有的一些工作一样，对SYK模型做了稀疏化。（Otherwise，SYK有很多项，映射到超导qubits之后是nonlocal的多体作用，即使9个qubits也很难搞。）
    
  • 文章稀疏化的手段是用机器学习来拟合标准SYK的互信息随时间函数，个人认为不足以说明保持了引力对偶。当然，finite N的情况讨论是不是真的对偶，本来也没什么意义。
    
  • 如果不考虑SYK引力对偶的特质，类似的展示所谓traversable wormhole的实验没什么新鲜的。据我所知，冷原子、超导等平台都有人做过。
    
  
  
• 实验方面：9个量子比特，140多个门。规模在量子模拟的实验里并不突出。相同的计算用一个laptop就能跑得动。
  

至于一些新闻稿胡扯什么制造虫洞。。。不予置评。
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顺便，我觉得 @赵泠 理论部分对马约拉那费米子的评价有点偏颇。马约拉那费米子本身只是体现一种量子统计性质，和凝聚态实验里之前claim的那些东西没有必然关系。SYK模型本身是确实源于凝聚态理论，经过Kitaev的修改，引入了量子引力。SYK模型作为二维引力对偶的toy model存在一定（但不严格）理论依据，已经和凝聚态没有什么关系了。因为工作基于马约拉那费米子，所以非议，这种逻辑我认为并不恰当。

相关新闻是标题党，这项成果也不重要。
题目引用的论文描述的是用凝聚态物理的准粒子“马约拉那费米子”搞的对应反德西特空间的模拟，新闻将其吹嘘成不带引号的“史上首个虫洞”。读者看了标题，会以为是在我们这个宇宙里真的创造了可穿越的虫洞，立马联想到时空跳跃与超光速，从而点击这可耻的“新闻”。
实际发生的情况：几个人在量子计算机中创建了一个传统方法就能模拟的量子比特纠缠系统。其模拟对象不是虫洞而是数学表达式。

• 这篇论文中几乎所有的计算都是在草稿纸或电子计算机上完成的。然后，研究团队在谷歌的量子计算机上进行有噪声的模拟，找出一个与电子计算机的模拟结果相匹配的结果，称这就是伟大的“量子计算机模拟虫洞”。
  
• 这量子计算动用的 9 个量子比特（Google Sycamore 量子处理器的一小部分计算力，涉及 164 个二量子比特门）可以轻易被电子计算机模拟。这项实验不包含任何“电子计算机算不出来”的东西，也不会带给我们任何关于量子引力的新知识。所有参与操作的仪器里都没有出现爱因斯坦-罗森桥，没有任何信息以不可思议的方式传递。
  
• 这不是 ER=EPR 的有效证据。
  

德克萨斯大学奥斯汀分校的量子计算专家 Scott Aaronson 看了纽约时报发布的相关新闻后，发电子邮件提醒编辑：“如果这项实验将一个虫洞变成了物理现实，那么这强烈地意味着，你每次用纸笔画出一个虫洞简图就将一个虫洞变成了物理现实[1]。”

• 这说得还很给面子，这事的数学相似性更像是“任何恒温的玩意都是黑洞”。
  

不过，这假新闻可能不完全怪记者，这项研究的作者队伍里有两个二十年前就吹了大牛的科学家，Joseph D. Lykken 和 Maria Spiropulu。有他们在，吹成什么样都不奇怪。

• Lykken 在 1984 年底许多人一窝蜂地跑去当弦理论专家的时候当了弦理论专家，此后二十多年间推广“在大型对撞机上测试弦理论”，失败。
  
• 近年来，Lykken 打算将自己重新定位为量子信息专家[2]。看起来，对他来说，量子计算机是粒子加速器的接班人：在接下来很多年里，他将推广“用量子计算机测试弦理论”。
  
• Maria Spiropulu 的成名之作是 2003 年对纽约时报说 LHC 能用来寻找多维时空。
  

这项研究没有发表预印本，论文摆在付费墙后面，搞新闻发布会，在《自然》杂志上发表封面故事，接着放出铺天盖地的新闻稿（本题目引用的是其中之一）和没什么有效信息的视频解说。发现“希格斯玻色子”时就使用了这种宣发方法，但二者的新闻价值差距很大。一些新闻稿将其他学者解释 QCD 与 AdS/CFT 的关系的话强行搬来吹嘘这项研究的“意义”，非常尴尬。

这种模型的原理可以参照：
https://www.imperial.ac.uk/media/imperial-college/research-centres-and-groups/theoretical-physics/msc/dissertations/2022/Shaun-Swain-Dissertation.pdfhttps://arxiv.org/pdf/1911.07416.pdfKundu, A. Wormholes and holography: an introduction.Eur. Phys. J. C 82, 447 (2022).
https://doi.org/10.1140/epjc/s10052-022-10376-z
这项实验对研究我们这个宇宙几乎无用。少数科研人员称该模型的部分特性比起反德西特空间更像德西特空间，暗示下一步要做更复杂的实验来自证功用，但你可以预期那也不会有用。