量子计算正在吸引巨大的兴趣和资金，尽管量子计算的广泛应用可能还需要几年时间。研究人员已经在目标算法上证明了在速度上比经典（非量子）计算机高出许多数量级的“量子优势”（最初被称为“量子霸权”）。他们还在寻找利用当前体积小、容易出错的量子设备的方法。

然而，一般用途预计需要量子纠错 (QEC)，这将需要比现在可用的系统大得多的系统。尽管如此，在过去的 20 年里，使 QEC 成为可能的想法已经影响了物理学家对宇宙的理解。

特别是，纠错码描述了黑洞、超高密度天体的各个方面，其中量子力学和广义相对论存在冲突。斯坦福大学物理学教授Patrick Hayden说：“为保护量子计算机免受数据损坏而发明的想法被证明与理解时空结构非常相关。”

这些想法还有助于解决关于物体携带信息进入黑洞的悖论。了解量子信息甚至可以阐明我们感知到的3D现实实际上是如何从潜在的量子世界中出现的。

量子计算对物理学的这些贡献并不需要实际的机器。但随着技术的进步，也可能直接推进黑洞和时空的理论模拟。

量子信息

量子比特是为计算而设想的量子比特，并不像经典比特那样局限于 0 或 1。相反，它们是在两个值的“叠加”中准备的，由复数加权，复数的幅度决定了这些值最终被测量的概率。在此之前，这些复杂权重的相位可能会在混合不同量子比特的操作过程中产生建设性或破坏性的干扰。

量子计算算法最初于20世纪90年代设计，利用这种干扰来选择性地提高量子比特在以后的测量时代表目标答案的概率。其中，一个主要的工程挑战是由于量子比特与噪声环境的相互作用而产生的“退相干”，在操作完成之前有效地测量它们。

量子纠错码也是在20世纪90年代发明的，它通过在许多“物理”量子比特之间传播信息来避免这个问题。这些方案提供一定程度的冗余，使适度数量的错误不会改变分布式“逻辑”量子比特。不幸的是，所需的物理量子比特数量是逻辑量子比特数量的1000倍（就目前的错误率而言）远远超出了当前硬件的能力范围。

其中的关键是“纠缠”，即两个或更多量子比特的量子态相互交织。量子力学预测它们的测量值将紧密相关，即使就个体而言，它们仅是概率可知的。实验反复证实了这一令人惊讶的现象。

全息宇宙

量子计算与量子引力的联系源于一个长期存在的观点，即宇宙是“全息的”，就像生成3D图像的平面全息图。在这种观点下，虽然宇宙的边界少了一个维度，但它包含了描述其体积的所有信息。

现在在新泽西州普林斯顿高等研究院工作的Juan Maldacena使这个想法更加具体，他在 1997 年推测出非常不同类型的理论之间存在对应关系。一方面，表示AdS为“Anti de Sitter”，是时空中的引力理论，其曲率为其提供了明确定义的边界。在实际宇宙中，我们观察到加速膨胀，这意味着“de Sitter”宇宙的曲率相反。Maldacena 说：“引力理论与描述我们自己世界的引力理论并不相同，但它可以是相似的。”并且这项工作被广泛使用。

另一方面是共形场论，或称 CFT，它的特点是粒子之间有很强的量子力学相互作用，但没有引力。它们可以被认为生活在引力宇宙的表面。这两种理论是相互“对偶”的，因此研究人员可以解决更方便的一个并转化为另一个。

纠错时空

该对应关系已被用于研究引力和量子系统。2015 年，一组研究人员发现，即使量子表面的很大一部分是未知的，其余部分仍然完全决定引力体积，就像纠错码可以让量子计算机承受某些量子比特的破坏一样。AdS/CFT 代码在编码信息方面非常高效，尽管将它们投入使用可能并不那么容易。

Hayden说，在某些方面，这个结果并不令人惊讶，至少现在回想起来是这样，因为量子力学是可逆的，因此信息必须保存在某个地方。事实上，研究人员发现纠错码是混沌的、高度相互作用的量子系统的普遍特征。“这是可以很自然地发生的事情，”Hayden说，“不需要有人主动坐下来设计代码。”

这些事态发展也澄清了一个古老的悖论。物理学家曾经认为，当某物掉入黑洞时，关于它的所有信息都会在无法进入的内部丢失。然而，史蒂芬霍金（Stephen Hawking）表明，黑洞通过辐射慢慢蒸发，因此最终将无处隐藏信息。

长期以来，研究人员一直怀疑信息由于其纠缠而以某种方式在发射的辐射中被带走。在过去的几年里，随着对量子信息理解的提高，研究人员终于能够精确地量化霍金辐射的熵。“新公式了解黑洞的内部，因此它取决于内部的几何形状，”Maldacena 说。

过去七年的许多进步都得到了西蒙斯基金会“It from Qubit”合作的资助。该项目的负责人Hayden表示，它即将结束，但它让曾经“边缘化”的领域受到尊重。尽管如此，他指出，“解决量子引力问题的更传统的方法非常重要，需要得到适当的资助。”

一个仍在探索的深刻愿景是，时空实际上是从相互关联的量子现实中“出现”的。“我们了解到的是，时空的结构要微妙得多，在某些情况下，你可以说‘非局域的’，而不是我们的直觉所暗示的，”Hayden说。“这个故事似乎是纠缠将空间缝合在一起。它确实是将空间维系在一起的东西。”

量子模拟

非局域纠缠的一个发人深省的例子是粒子的量子态通过连接空间中遥远点的虫洞的“隐形传态”。通过纠缠进行量子态隐形传态的实验已被反复证实，但当然虫洞并不容易获得。然而，在 2019 年，一组研究人员提议使用 AdS/CFT 在实验室中使用少量被捕获的离子或原子来模拟可穿越的虫洞，这些离子或原子是实现量子比特的候选者。

加利福尼亚州山景城谷歌的研究科学家 Adam R. Brown 说，量子比特通过一个与其他自由度完全混合的混乱状态，但当它重新出现在虫洞的另一边时，它出人意料地“重新凝聚” 。他补充说，拟议的实验将为这个过程提供清晰的物理图像，并且随着这个故事的出版，结果开始显现。

然而，对于几十个量子比特的小型实验，“你并没有真正了解量子引力的任何东西……因为你可以通过运行经典计算机更容易地找到答案，”Brown警告说。“如果你处于所谓的‘量子优势机制’，你只会从你的量子计算机中学到一些新东西，”而不仅仅是为当前系统的演示选择的算法。

Maldacena 预计“如果你真的想检查引力的预测，我们可能会谈论 1,000 到 10,000 个量子比特。” 同样，模拟量子材料或量子化学的特性需要比现有规模大得多的规模，正是这种挑战导致理论物理学家理查德·费曼提出了量子计算。

尽管如此，研究人员已经在探索在当前嘈杂的中等规模量子 (NISQ) 时代利用量子计算的方法。例如，东京附近 RIKEN 的访问科学家 Enrico Rinaldi 和其他人一直在模拟矩阵量子力学模型，这些模型将通过 AdS/CFT 提供对黑洞的详细洞察。

特别是，Rinaldi 探索了由他的合著者和小组组长 Franco Nori等人开发的变分量子特征求解器 (VQE) 方法。“VQE 是科学家和工程师在当前量子硬件上使用的最成功的量子/经典混合算法之一，”Rinaldi 说。该算法将计算分为两部分。给定一组参数，量子部分会找到能量最低的量子态，尽管存在一些错误。在外循环中，经典部分改变参数以搜索最优值。“通常，经典部分的计算要求最高，”他说。

这种早期探索经典地模拟了量子机器。“为了在量子设备上找到前进的道路，我们需要研究这种类型的扩展以及我们肯定会遇到的错误类型，”Rinaldi 说。该团队还将结果与针对同一问题的深度学习方法进行了比较。Rinaldi 说，经典的人工智能“肯定更成熟，而且扩展性更好”。

尽管量子计算对这些计算的潜在影响仍在评估中，但量子信息的概念肯定会产生持久的影响。

原文链接：https://cacm.acm.org/magazines/2022/12/266916-quantum-computers-and-the-universe/fulltext

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