量子计算机目前还不能传送物体

去年 11 月，一组物理学家声称他们首次在谷歌的 Sycamore 量子计算机中模拟了虫洞。研究人员将信息放入一批模拟粒子中，并表示他们观察到这些信息出现在第二批分离的电路中。

这是一个大胆的主张。虫洞——穿越时空的隧道——是引力理论的产物，阿尔伯特·爱因斯坦帮助推广了这一理论。用量子力学制造出虫洞复制品将是一项了不起的壮举，量子力学是一门完全不同的物理学分支，长期以来一直与引力相矛盾。

果然，三个月后，另一组物理学家提出，这些结果可以通过其他更普通的方法来解释。作为回应，Sycamore 项目团队加倍努力研究他们的研究成果。

他们的案例凸显了一个令人着迷的困境。在量子计算机中成功模拟虫洞可能有助于解决一个古老的物理难题，但到目前为止，量子硬件还不够强大或可靠，无法进行复杂的数学运算。不过，他们很快就能实现这一目标。

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挑战的根源在于数学体系的差异。“传统”计算机（例如您用来阅读本文的设备）使用“位”来存储数据并进行计算，这些位通常由硅制成。这些位是二进制的：它们可以是零或一，没有其他。

对于绝大多数人类任务来说，这没有问题。但二进制并不适用于破解量子力学的奥秘——指导宇宙最小尺度的奇异规则——因为该系统本质上是以完全不同的数学形式运行的。

量子计算机的出现，将硅比特换成了遵循量子力学的“量子比特”。量子比特可以是零、一，或者由于量子技巧，可以是零和一的某种组合。量子比特可以使某些计算变得更容易管理。2019 年，谷歌运营商使用 Sycamore 的量子比特在几分钟内完成了一项任务，他们说传统计算机需要 10,000 年才能完成这项任务。

有几种方法可以用计算机求解的方程来模拟虫洞。2022 年论文的研究人员使用了一种称为 Sachdev–Ye–Kitaev (SYK) 模型的模型。经典计算机可以计算 SYK 模型，但效率很低。该模型不仅涉及远距离相互作用的粒子，还具有很大的随机性，而这两者都是经典计算机难以处理的。

甚至虫洞研究人员也大大简化了 SYK 模型以用于他们的实验。“他们所做的模拟实际上很容易用经典方法完成，”加州理工学院的物理学家 Hrant Gharibyan 说道，他没有参与该项目。“我可以在笔记本电脑上完成。”

但简化模型又引出了新的问题。如果物理学家想通过量子数学证明他们创造了虫洞，那么他们就很难确认他们确实创造了虫洞。此外，如果物理学家想了解量子力学如何与引力相互作用，他们可以利用的信息就会减少。

批评者指出，Sycamore 实验使用的量子比特不够多。虽然你的手机或电脑芯片可能有数十亿或数万亿比特，但量子计算机的比特要小得多。特别是虫洞模拟，使用了 9 个。

虽然该团队当然不需要数十亿个量子比特，但据专家称，他们应该使用超过九个量子比特。“通过九个量子比特的实验，你不会学到任何你从经典模拟实验中不知道的东西，”德克萨斯大学奥斯汀分校的计算机科学家 Scott Aaronson 说，他不是这篇论文的作者。

如果说规模是问题所在，那么目前的趋势让物理学家有理由乐观地认为，他们可以在量子计算机中模拟出一个合适的虫洞。仅仅十年前，即使让一个量子比特发挥作用也是一项了不起的壮举。2016 年，第一台具有云访问权限的量子计算机有五个量子比特。现在，量子计算机有几十个量子比特。谷歌 Sycamore 最多有 53 个量子比特。IBM 计划在 2020 年代中期推出一系列量子计算机，其量子比特将超过 1,000 个。

此外，如今的量子比特极其脆弱。即使是很小的噪声或微小的温度波动（量子比特需要保持在极低的温度下，略高于绝对零度）也可能导致介质退相干，使计算机脱离量子世界，回到平凡的经典比特。（较新的量子计算机专注于尝试使量子比特“更清洁”。）

有些量子计算机使用单个粒子，有些则使用原子核。而谷歌的 Sycamore 则使用超导线圈。这一切都表明，量子比特正处于 VHS 与 Betamax 的较量时代：有多个竞争对手，而且尚不清楚哪个量子比特（如果有的话）会成为无处不在的传统硅芯片的对等物。

“你需要制造更大的量子计算机和更清晰的量子位，”Gharibyan 说，“那时真正的量子计算能力才会到来。”

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对于许多物理学家来说，这就是巨大的无形回报。量子物理学指导着宇宙的最小尺度，但无法完全解释引力，而引力指导着宇宙的最大尺度。量子虫洞（量子比特的有效传送）可以弥补这一差距。

因此，谷歌用户并不是唯一研究这个问题的物理学家。2022 年早些时候，第三组研究人员发表了一篇论文，列出了他们在量子计算机中检测到的传送迹象。他们没有通过模拟虫洞发送量子比特——他们只发送了一个经典比特——但这仍然是一个有希望的一步。更好的量子引力实验，例如模拟完整的 SYK 模型，是为了“纯粹扩展我们构建处理器的能力”，Gharibyan 解释道。

即使量子计算机真的能达到数千个量子比特，阿伦森也怀疑虫洞能否以有意义的形式建模。“至少有机会了解一些与量子引力有关的东西，否则我们不知道该如何计算，”他说。“即便如此，我也很难让专家告诉我那是什么。”