“反传态”:量子突破为世界上第一个实验虫洞铺平了道路

诸平

(A) shows a circuit diagram for transporting Bob's qubit, α|0›+ß|1›, to Alice by means of two exchange-free CNOT gates and local operations. The purpose of the Hadamard gates is to keep the control qubits of the two CNOT gates on the same side, Bob's side. (B) A similar circuit, except for the phase-flip Z-gate acting on Alice's target qubit before the second CNOT, which corresponds to finding the photon in Port2 in figure 2(C), after the second application of the exchange-free CNOT gate. (C) Our proposed exchange-free CNOT gate. A single 87Rb atom trapped inside an optical resonator constitutes Bob's control qubit. Depending on which of two ground states the trapped atom is in, a resonant R-polarized photon impinging on the cavity from the left will either be reflected as a result of strong coupling, or else enter the cavity on its way towards detector DB. CQZE stands for chained quantum Zeno effect. As we show in the text, Alice's exiting photonic qubit, the target, has provably never crossed the channel to Bob. This CNOT gate allows universal exchange-free quantum computation, including counterportation. Credit: Quantum Science and Technology (2022). DOI: 10.1088/2058-9565/ac8ecd

据英国布里斯托大学(University of Bristol)2023年3月13日提供的消息，被大肆宣传但很少使用的量子计算技术的首批实际应用之一现在已经触手可及，这要归功于一种独特的方法，它避开了扩大这种原型的主要问题。详见题为“‘反传态’:量子突破为世界上第一个实验虫洞铺平了道路”（'Counterportation': Quantum breakthrough paves way for world-first experimental wormhole）的报道。

布里斯托尔大学的一位物理学家发明了这项技术，并将其命名为“反传”(‘counterportation’)，为在实验室中创造一个可验证的连接空间的虫洞提供了有史以来第一个实用的蓝图，作为探索宇宙内部运作的探针。相关研究结果于2023年3月2日已经在《量子科学与技术》（Quantum Science and Technology）杂志网站发表——Hatim Salih. From counterportation to local wormholes. Quantum Science and Technology, Published 2 March 2023. Volume 8, Number 2, DOI: 10.1088/2058-9565/ac8ecd

此文公布了一种利用基本物理定律的新型计算方案，通过部署该方案，可以在没有任何粒子穿过的情况下，在空间中重建一个小物体。除此之外，它还为物理现实的存在提供了“确凿的证据”，为我们对世界的最准确描述提供了基础。

此研究的作者哈廷姆·萨利赫（Hatim Salih）是布里斯托大学量子工程技术(Quantum Engineering Technology简称QET)实验室的荣誉研究员，也是初创公司DotQuantum的联合创始人，他说:“这是我们多年来一直在努力的一个里程碑。它提供了一个理论和实践框架，以重新探索关于宇宙的持久谜题，如时空的真实本质。”

当我们交流时，需要可检测的信息载体，这是科学家们根深蒂固的假设，例如，光子流穿过光纤（optical fiber），或穿过空气，使人们能够阅读文本。或者，事实上，在这样做的时候，无数的神经信号在大脑中来回跳动。

这一点甚至适用于量子隐形传态（quantum teleportation）。除了《星际迷航》(Star Trek)，量子隐形传态传递了关于一个小物体的完整信息，允许它在其他地方重组，因此它与分解的原始物体没有任何有意义的区别。后者确保了防止完美复制的基本限制。值得注意的是，最近在谷歌的Sycamore处理器上对虫洞（Wormholes）的模拟（ recent simulation of a wormhole）本质上是一个瞬移实验（teleportation experiment）。

哈廷姆·萨利赫说:“这是一个明显的区别。虽然反传实现了隐形传态瞬移的最终目标，即无实体传输（disembodied transport），但它没有任何可探测到的信息载体。”

虫洞（Wormholes）是由大热电影《星际穿越》（Interstellar）普及起来的，其中包括物理学家和诺贝尔物理学奖得主基普·索恩（The Nobel Prize in Physics 2017，Kip S. Thorne）。但它们第一次出现是在大约一个世纪前，作为爱因斯坦引力方程（Einstein's gravity equation）的古怪解，作为时空结构中的捷径。然而，定义可穿越虫洞的任务可以简洁地抽象为使空间可分隔地穿越;换句话说，在虫洞之外没有任何穿越可观测空间的旅行。

这项开创性的研究为完成这项任务提供了一种方法，其完成程度堪比令人毛骨悚然的《星际穿越》(Interstellar)。

哈廷姆·萨利赫说:“如果要实现反传态，就必须建造一种全新的量子计算机:一种无交换的量子计算机，在这种计算机中，通信各方不交换粒子。与承诺显著加速的大规模量子计算机相比，还没有人知道如何建造，即使是最小规模的无交换量子计算机的承诺，也是通过将空间与时间结合在一起，使看似不可能的任务成为可能，比如反传态（counterportation）。”

目前计划正在进行中，他们与布里斯托尔大学、牛津大学和约克大学（University of York）的英国顶尖量子专家合作，在实验室里建造这个听起来超凡脱俗的虫洞（wormhole）。

哈廷姆·萨利赫补充说:“在不久的将来，我们的目标是在实验室中物理地构建这样一个虫体（wormwhole），然后它可以被用作竞争物理理论，甚至是量子引力理论的测试平台。”

“这项工作将本着数十亿美元的冒险精神，见证新的物理现象，如激光干涉仪引力波天文台(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory简称LIGO)和欧洲核研究组织(European Organization for Nuclear Research简称CERN)，但仅是众多资源的一小部分。我们的希望是最终为物理学家、物理爱好者和探索关于宇宙的基本问题，包括更高维度存在的爱好者，提供远程访问（remote access）本地虫洞的途径。”

约克大学量子信息技术教授、英国国家量子技术计划量子通信中心（Quantum Communications Hub of the UK National Quantum Technologies Program）主任蒂姆·斯皮勒（Tim Spiller）说:“量子理论继续激励和震惊着我们。哈廷姆·萨利赫最新的反传态（counterportation）研究提供了另一个例子，并为实验演示提供了意外收获。”

布里斯托大学光通信系统教授约翰·诺瑞特（John Rarity）说:“我们体验的经典世界实际上是由量子物体构建的。提出的实验可以揭示这一潜在的量子本质，表明完全独立的量子粒子可以相互关联，而无需相互作用。这种距离上的相关性可以用来将量子信息(quantum information简称qbits)从一个位置传输到另一个位置，而不需要粒子穿越空间，从而创造出所谓的可穿越虫洞（traversable wormhole）。”

这项工作得到了英国工程和物理科学研究委员会的支持(UK's Engineering and Physical Sciences Research Council EP/PS10269/1)。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

We propose an experimental realisation of the protocol for the counterfactual disembodied transport of an unknown qubit—or what we call counterportation—where sender and receiver, remarkably, exchange no particles. We employ cavity quantum electrodynamics, estimating resources for beating the classical fidelity limit—except, unlike teleportation, no pre-shared entanglement nor classical communication are required. Our approach is multiple orders of magnitude more efficient in terms of physical resources than previously proposed implementation, paving the way for a demonstration using existing imperfect devices. Surprisingly, while such communication is intuitively explained in terms of 'interaction-free' measurement and the Zeno effect, we show that neither is necessary, with far-reaching implications in support of an underlying physical reality. We go on to characterise an explanatory framework for counterportation starting from constructor theory: local wormholes. Conversely, a counterportation experiment demonstrating the traversability of space, by means of what is essentially a two-qubit exchange-free quantum computer, can point to the existence in the lab of such traversable wormholes.