纠缠构建了时空。现在，“魔法”赋予了它引力

# 纠缠构建时空。现在“魔法”赋予其引力。 | Quanta Magazine 来源：https://www.quantamagazine.org/entanglement-builds-space-time-now-magic-gives-it-gravity-20260603/ 在全息理论中，物理学家可能已将时空的可塑性追溯到其量子根源：一种被称为“魔法”的量子性度量。 1973年，John Archibald Wheeler 用两句话描述了空间与物质的关系：“空间作用于物质，告诉它如何运动。反过来，物质反作用于空间，告诉它如何弯曲。”Wheeler 的话语简洁地概括了阿尔伯特·爱因斯坦的引力理论——广义相对论。 Wheeler 的这两句话也提出了当今理论家面临的一个挑战：当他们构建宇宙模型时——至少是能在量子层面工作的模型——很难让空间和物质以它们必须的方式相互作用。 爱因斯坦将引力视为时空的几何弯曲，而非一种力。在一个流行的类比中，时空的织物就像一张平坦的床垫，而像恒星这样的巨大物体则像放在上面的保龄球。保龄球的重量压缩床垫，形成凹陷——物质告诉时空如何弯曲。 在这个类比中，行星就像一个小球。如果它滚得足够靠近保龄球，它的路径会被床垫上的凹陷改变——时空告诉物质如何运动。 但广义相对论有一个致命缺陷。当一颗恒星死亡并坍缩时，其质量被集中到一个难以想象的致密点。床垫上的凹陷被拉伸成一个深坑，本质上完全撕裂了织物。物理学家称这种构造为黑洞。如果一个小球到达这样的撕裂处，它就不再受织物引导，类比失效；科学家需要一种新理论来理解这种以及其他同样极端的情况。 20世纪90年代末，物理学家走运了。他们发现，如果他们将时空想象成一堆纯粹的量子粒子，他们原则上可以用一种全新的方式描述黑洞——包括撕裂部分。 理论家们在过去几十年里一直试图理解由这种量子粒子构建的时空究竟如何运作。他们取得了进展：他们发现粒子之间的纠缠赋予了时空结构，构建了一个物质可以运动的环境——满足了 Wheeler 第一句话的条件。但 Wheeler 第二句话的起源仍然神秘；在他们的模型中，物质并不告诉空间如何弯曲。保龄球放在床垫上却没有留下凹痕。 直到现在。包括弗吉尼亚理工大学的 Charles Cao (https://www.phys.vt.edu/About/people/Faculty/charles-cao.html) 在内的物理学家最近确定了量子粒子如何赋予时空弯曲性。在最近的一些工作中，多个团队识别出了量子力学的一个特性，Cao 称之为“空间的织物柔顺剂”。这是一种被称为“魔法”的量子性度量。 “没有魔法，事情就有点太简单了，”加州理工学院的物理学家 John Preskill (https://www.preskill.caltech.edu/) 说，他参与了 Cao 的最新论文。“而且，你知道，量子时空并没有那么简单。” ## **如何编码一个宇宙** 物理学中视角转换比比皆是。例如，看待钟摆运动的方式不止一种。你可以用悬挂在绳子末端重物的高度和水平位移来指定其位置。或者你也可以用绳子的长度和它的角度来代替。这些视角是等价的；简单的三角方程就能从一个视角转换到另一个。 Mark Belan/*Quanta Magazine* 50年来，理论家们一直在追求一种意义更为深远的视角转换：一种超越爱因斯坦弯曲时空的、看待宇宙的新方式。 20世纪70年代初，Jacob Bekenstein 和 Stephen Hawking 朝着这个方向迈出了第一步，他们发现可以将一个黑洞（以及任何掉入其中的东西）重新解释为 粒子的球状集合 (https://www.quantamagazine.org/the-1-clue-to-quantum-gravity-sits-on-the-surfaces-of-black-holes-20240925/)。20世纪90年代末，Juan Maldacena、Edward Witten 等人将这一洞见扩展到了整个宇宙；他们将一个奇异的静态世界描述为一群相互作用的粒子，同样排列在一个球面上。 在这两种情况下，你都可以用区域表面上的粒子来替换3D时空区域。你可以将这个表面视为二维的，就像一张压平的地球仪变成的纸地图。物理学家称这种时空的双重性质 (https://www.quantamagazine.org/the-two-faces-of-space-time-20240925/) 为全息原理，因为它类似于全息贴纸如何在不丢失数据的情况下将整个3D场景压缩到一个平面上。 在过去二十年里，理论家们探索了什么赋予了3D空间织物形状。纠缠，一种将粒子相互连接的量子特性，似乎充当了空间的结缔组织。以虫洞为例，这是一种连接两个遥远空间区域的理论桥梁。在全息视角下，一个3D虫洞等价于两组纠缠的粒子集。开始剪断连接一组与另一组之间的纠缠“线”，连接区域的隧道就会变得越来越细。剪断最后一条线，连接就会完全消失。 Cao 在2016年作为加州理工学院的研究生了解到纠缠与空间之间的联系，主要是通过 丹尼尔·哈洛 (https://arxiv.org/abs/1607.03901) 的一篇论文，他现在是麻省理工学院的物理学家。“Charles 花了一个月理解这篇论文，”当时同为研究生、现在为雪城大学物理学家的 Jason Pollack (https://ecs.syracuse.edu/faculty-staff/jason-pollack) 说道。 Harlow 部分基于 Preskill 等人的工作，确定了从2D视角转换到3D视角所需的数学类型。他需要将空间及其物质——恒星、行星和电子——编码到一堆量子粒子中。那么，为什么不使用量子纠错码呢？ 量子纠错码对量子计算至关重要，因为量子计算机通过操作“量子比特”来工作，量子比特是比特的量子版本，可以存在于0和1的叠加态中。量子比特极其脆弱，经常丢失其叠加态，从而丢失其额外信息。因此，物理学家们想出了通过冗余来保护这种脆弱信息的方法。通过将一个量子比特的信息 (https://www.quantamagazine.org/how-quantum-computers-will-correct-their-errors-20211116/) 扩散到许多量子比特中，即使一些量子比特丢失，他们也能保留信息。 相同类型的冗余 出现在全息术中 (https://www.quantamagazine.org/how-space-and-time-could-be-a-quantum-error-correcting-code-20190103/)。"当你为量子计算设计代码时，你正在做的事情与 [全息术] 已经为你做的事情相同，" 清华大学的物理学家 Bartek Czech (https://www.ias.tsinghua.edu.cn/en/info/1059/1176.htm) 说。一个单一的全息位置——一个空间区域及其中的物质——并非只编码在一组量子粒子中；相反，由于它们的纠缠，它分布在许多组中。Harlow 和合作者在 2014 年的一个代码 (https://arxiv.org/abs/1411.7041) 中详细说明了这是如何工作的，他在 2016 年给 Cao 留下深刻印象的论文中进一步充实了这种关系。 但这些被称为“稳定子码”的代码有一个缺点。它们将粒子的纠缠分为两类：一类负责空间，另一类负责物质。而这种划分是不可逾越的。这种完美的分割在量子计算中是一个优点，因为你希望加密数据与外部世界的破坏性影响完美隔离。但在全息术中，这种完美没有给两者相互作用留下空间。"我们知道如何构建一个时空，" Czech 说，但"这个时空是惰性的。它什么都不做。" 为了让空间和物质相互作用，Cao 知道需要一个更复杂的代码。"很明显，除了纠缠之外，一定还有其他东西存在，" 东北大学的物理学家 Ning Bao (https://cos.northeastern.edu/people/ning-bao/) 说。 ## **魔法成分** Cao 从摆弄现有的纠错码开始。2020年，他和合作者 Brad Lackey 调整 (https://arxiv.org/abs/2010.05960) 了这样一个代码，发现它允许空间改变——只是不响应物质。这不是引力，但这是进步。只是 Cao 和 Lackey 并不完全理解调整为何有效。 圆形图像，带有重复的鱼图案 M.C. Escher 1959 年的木刻《Circle Limit III》具有全息世界的几何结构：整个宇宙都适合在一个球面内。在全息术中，你可以通过研究表面本身来了解内部发生的情况。 M.C. Escher 第二年，Pollack 和他的合作者们意识到，如果你真的试图创建一个量子程序来在量子计算机上执行调整后的代码，你需要使用一种被称为 T 门的特定操作，它可以旋转一个量子比特。 Cao 注意到了这一点。他刚刚参加了一个量子计算会议，研究人员们正在热烈讨论这样的门，部分原因是它们是使量子计算机比经典计算机更强大的关键。 研究人员之前认为关键因素是纠缠。他们找到了一种在经典计算机上运行软件来模拟量子任务的方法。当那个量子任务涉及纠缠量子比特时，量子计算机比经典计算机有优势，因为经典程序需要很长时间才能运行。但后来物理学家发现了一种加速的方法；事实证明，某些经典算法甚至可以在笔记本电脑上模拟某些纠缠操作。 2004年，当时都在加州理工学院的 Alexei Kitaev 和 Sergey Bravyi 将研究人员的注意力引向了被称为非 Clifford 门的量子操作，其中包括 T 门。当量子程序使用这些操作时，等效的经典程序需要更长的时间来运行。Kitaev 和 Bravyi 将这些操作引入的复杂性描述为“魔法”。产生一个量子态所需的非 Clifford 门越多，该态就越神奇。 在了解到魔法和非 Clifford 门之后，Cao 与马里兰大学的研究人员 Brian Swingle 和 Christopher White 合作。2020年，他们研究了与一个称为反德西特空间的奇异宇宙等价的粒子集合。该小组发现这些粒子 高度神奇 (https://arxiv.org/abs/2007.01303)。他们思考，这种魔法对于这些粒子所代表的反德西特空间会起什么作用？ Cao — 与 Alioscia Hamma 等人合作，并基于 现为加州大学圣塔芭芭拉分校的 Xi Dong (https://arxiv.org/abs/1601.06788) 的工作 — 几年后找到了答案。他们表明魔法 赋予了空间弹性 (https://arxiv.org/abs/2403.07056)。换句话说，魔法与空间的弯曲能力有关。因此魔法与引力有关。"如果你有其中一个，" Bao 说，"你就总是有另一个。" 到2026年初，Cao 和他的合作者们拥有了所有拼图。他们知道魔法使空间弯曲。而且他们知道量子代码从非 Clifford 门中获得魔法。因此，Cao、Preskill 和其他人 创建 (https://arxiv.org/abs/2603.13475) 了新一代代码，以取代十年前 Harlow 和其他人在将编码空间与编码物质分开时所关注的稳定子码。这个新代码使用了大量的非 Clifford 门。这些门使代码具有魔法，从而让空间的纠缠和物质的纠缠相互影响。 "这很酷，因为在量子引力中，我们不期望背景是固定的，" 亚利桑那州立大学的物理学家 Cynthia Keeler (https://search.asu.edu/profile/3203190) 说，她没有参与这项工作。"它应该波动。" 魔法的本质特别吸引了像 Swingle 这样的物理学家，他们希望利用它在量子计算机上模拟 引力在广义相对论失效情况下的行为 (https://www.quantamagazine.org/one-labs-quest-to-build-space-time-out-of-quantum-particles-20210907/)。"如果我们需要高魔法，那么我们就本质上需要一台量子计算机，" Swingle 说，"因为一般来说，没有其他方法可以触及这类问题。" ## **来自量子性的引力** 原则上，纠缠和魔法足以让未来的物理学家在量子计算机上模拟空间。但 Cao 的新代码仍然需要大量工作。 在丹佛举行的美国物理学会年度峰会上的一次演讲中，Cao 开玩笑说，他是唯一一位实际上不是研究量子引力的演讲者。这是因为他的代码仍然极其通用。它没有描述我们生活的那种空间，没有捕捉到爱因斯坦描述的那种特定反应，也没有包含时间的滴答声。 这个代码更像是一个关于量子引力理论应具有的一般形式的概念证明。如果你想让你的空间弯曲，就使用一个神奇的代码。"这会让你得到引力的前驱，" Cao 说。"你满足了一个必要条件。目前，我们在5步中的0.5步。" 但即使在这个早期阶段，这个研究计划也突显了任何量子引力理论都应具有的一些令人惊讶的特征。 Einstein 和 Wheeler 曾认为时空是一块巨大的、毫无特征的织物，以固定的弯曲和褶皱存在——一个典型的经典物体。但现在物理学家们了解到，量子力学的两个定义性特征——纠缠和魔法——对应于空间的两个定义性特征：形状和灵活性。这表明空间本身就是能想象到的最量子的东西之一。"引力的所有熟悉方面实际上都是某种量子事物的非常直接的体现，" Swingle 说。 这也表明引力源于不完美的量子编码。非魔法代码产生惰性的、无引力的空间，因为它们完美地保护了编码信息。Cao 和合作者已经表明，引力来自编码信息的混合。因此，编码必须是近似的，所以通过通常方式测量一部分量子粒子，无法完美恢复时空内发生的一些方面。这种近似，对于量子计算机来说表明一个写得很差的代码，是"牛顿的苹果落在他头上的原因"，Czech 说。 就 Cao 而言，他觉得这个特性很有吸引力。他说，量子纠错和量子计算是人类的活动。他认为没有理由让引力迎合我们对完美的偏见。 ***更正：** *2026年6月3日* *Charles Cao 曾是加州理工学院的研究生，后来在马里兰大学担任博士后职位。* *文章之前将引入魔法的门称为 Toffoli 门，并将其与一个更简单的门 T 门混为一谈。Toffoli 门和 T 门都属于一个更广泛的类别，称为非 Clifford 门，所有这些门都会引入魔法。*