量子领域科普:量子纠缠与虫洞
量子领域科普：量子纠缠与虫洞
在我们的世界里，引力支配着宇观星系的运动，量子支配着微观粒子的运动，而智能则支配着我们这些宏观智慧生命的行动。这三种完全不同尺度的现象，看起来似乎毫无关系。但是现代物理学的研究越来越多地表明，它们之间可能有着深刻的联系。

虫洞=量子纠缠
这第一重联系发生在引力和量子现象之间，称为全息对偶。全息对偶最早是在弦理论的研究中被提出来的[1]。它指的是一个d维空间的量子理论和一个(d+1)维空间的引力理论之间的全息对应，这种对应最明显地体现在量子纠缠和虫洞之间惊人的相似性中。虫洞和量子纠缠分别是引力和量子力学里最神奇的现象，它们都具有非局域的特质。具体来说，虫洞是一种特别的时空结构[2]，它可以将空间中相隔遥远的两个地点联系起来，就像一条时空的隧道。从虫洞两端进入虫洞的两个观察者，最终可以在虫洞内部相遇。
而量子纠缠是一种量子力学特有的机制[3]，它可以将两个量子系统关联在一起，使得我们对其中一个系统进行观测以后，不但可以获知被观测系统的状态信息，还可以同时知晓与之纠四大发明是指哪四样
缠的另一个系统的状态信息。即使两个量子系统相距遥远，只要它们之间建立了量子纠缠，就能实现像“海内存知己，天涯若比邻”一样跨越时空的感应。
虫洞和量子纠缠在非局域性方面的这种相似性，启示Maldacena和Susskind提出了ER=EPR假说[4]，也就是虫洞等同于纠缠。比如，当两个量子纠缠的黑洞被分发到不同位置的时候，空间的结构也随之改变：两个黑洞之间将会出现一条连接它们的虫洞，并且随着黑洞的彼此远离虫洞也会被“拉长”。如果解除黑洞之间量子纠缠，那么它们之间的虫洞就会随之断裂。
虫洞与量子纠缠有着惊人的相似性[5]。
如果回到从前将这一观念推而广之，物理学家们大胆地猜想任何一对纠缠的量子比特之间都有微小的量子虫洞相连。这些微小的虫洞就像时空结构中的丝线，将所有的量子比特维系在一起组成宏观上完整的空间[6]。事实上，量子纠缠的确无处不在：即使在真空中，也充满着瞬息即逝的正反粒子对的量子涨落，它们构成了遍布宇宙的短程量子纠缠，正是它们将空间维系在一起。
如果没有这些量子纠缠，空间就会分崩离析。因此可以说，时空结构起源于量子纠缠！这正是全息对偶的核心思想。纠缠结构的改变就会带来时空几何的改变。两个物体之间的量子纠缠越强烈，它们在距离上就会显得越接近。所以说，苹果从树上落向地面的过程，也可以理解为在量子力学的演化下，苹果和地球之间建立了越来越多量子纠缠的过程。从这个角度来看，全息对偶将引力和量子力学深刻地联系在一起。
信息蕴于关系之中
那么量子纠缠是如何被定量地描述的呢？这就涉及到量子纠缠的本质。量子纠缠本质上是韵母有多少个
量子信息的一种非局域的存储机制。在经典计算机中，信息都被局域地保存在每个存储单元（经典比特）里。如果我们获得了一份256比特的计算机文件，我们原则上可以确定编码这份文件的256个经典比特分别处于是0还是1的哪一种状态上，每个比特的信息都可以落实到相应的存储单元之上。但是量子信息则不是这样的。昱怎么读
如果我们获得了一个由256个量子比特构成的量子态，原则上我们已经知道了这个量子系统作为一个整体的一切性质，但是（有很大可能[7]）我们对其中的任何一个单独的量子比特到底处于哪种量子态仍然是一无所知的。因为这256比特的量子信息可以以高度纠缠的方式分布在所有量子比特的关系之间，从而无法落实到任何一个个体之上。
我们可以把一个纠缠的量子系统想象成一张连接着所有量子比特的复杂网络：量子信息分布于网络的连接之间，而不在每个具体的节点之上。任何节点（量子比特）一旦从这个网络中被抽离出来，都会丧失它原先所承载的与其它量子比特相纠缠的那些量子信息。
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量子纠缠描述的正是量子信息的这种不可分割、不可还原的特点。任何试图将量子纠缠系统的一部分割裂出来的行为，都会导致量子信息的损失。由于信息的损失就意味着无序的增加，也就是熵的产生。因此人们把在一个量子纠缠态中分割出一个子系统所导致的信息
损失，作为纠缠的度量，称为纠缠熵[8]。
如果以复杂网络的图像来想象量子纠缠的话，那么纠缠熵就应该对应于在大网络中将一个小网络切分出来的时候，所需要切断的连边的数量[9]。事实上，这种直觉的想法是正确的，用来描述量子态的网络在物理学中的准确说法叫做张量网络[10]。人们提出张量网络的初衷是为了更有效地表达量子多体波函数，但随后的研究很快就发现，张量网络的结构正好也是对纠缠结构的一种形象的刻画。两个量子比特之间的纠缠越多，它们在张量网络中的连边权重就会相应地增加，从而拉近它们在网络上的连边距离。这一现象正好符合全息对偶理论中，量子纠缠和空间距离之间的关系！所以说，张量网络为全息对偶提供了一个很好的微观模型：一方面，它描述了量子纠缠态的波函数；而另一方面，张量网络的连边也代表了短程的量子纠缠，同时也代表着将空间联系在一起的微小虫洞，因此整个张量网络的结构便可以解读为全息对偶下的空间几何[11]。计算机硬件系统

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