量子糾纏編織時空,「魔法」賦予重力生機

作者: Irena II

量子糾纏編織時空,「魔法」賦予重力生機-1

早在 1973 年,美國理論物理學家約翰·阿奇博爾德·惠勒就曾簡潔地概括了廣義相對論的精髓:物質告訴時空如何彎曲,而時空則告訴物質如何運動。在愛因斯坦的觀點中,重力並非一種力,而是一種幾何表現:質量龐大的天體會像保齡球壓在床墊上一樣,壓迫時空織物,使其他物體自然滾入形成的凹陷中。儘管這幅圖景十分優雅,卻隱藏著一個致命的缺陷。當恆星死亡並塌縮成黑洞時,那道「凹陷」會徹底刺穿床墊,導致愛因斯坦的理論宣告失效。正是為了應對這類極端情況,物理學家才致力於尋找量子重力理論,並在數十年間嘗試純粹利用量子粒子來建構時空,使其運作方式能符合惠勒的描述。

1990 年代末,全像原理(holographic principle)為研究帶來了突破。胡安·馬爾達西那、艾德華·維騰等學者證實,整個三維宇宙可以完全編碼在二維邊界的相互作用粒子集中,就像普通的全像卡片能在完全平坦的表面上營造出立體錯覺。隨後研究進一步發現,量子糾纏就像一種結締組織,維繫著空間的幾何結構。一旦切斷兩個區域之間的糾纏「線」,兩者間的橋樑(如蟲洞)就會變薄並最終消失。物理學家藉此解開了惠勒名言的前半部分:糾纏創造了物質活動的舞台。但後半部分依然是個謎——在這些早期模型中,物質並不會使空間彎曲。保齡球雖然放在床墊上,卻沒能留下半點凹痕。

直到最近,那個缺失的關鍵要素終於現身。包括維吉尼亞理工學院查爾斯·曹(Charles Cao)團隊在內的多個科研小組發現,量子力學中一種被稱為「魔法」(magic)的特殊屬性,正是賦予時空彈性的關鍵。該參數反映了系統真正的量子本質,並展現出在傳統電腦上模擬其狀態的難度。這個術語早在 2004 年就由物理學家阿列克謝·基塔耶夫和謝爾蓋·布拉維提出。根據他們的理論,「魔法」源自於所謂「非克利福德閘」(non-Clifford gates)的應用,這也正是量子電腦展現出超越古典電腦巨大優勢的核心所在。曹教授將「魔法」形象地比喻為「時空織物的柔軟劑」。參與這項新研究的加州理工學院學者約翰·普雷斯基爾指出,少了「魔法」,一切都會變得過於簡單,而量子時空的結構實則更為複雜。

要理解重力與此的關聯,必須提及量子錯誤修正碼——這種技術透過將脆弱的資訊「分散」到多個量子位元中,來保護量子電腦內的資訊。丹尼爾·哈洛等人在約十年前就已證明,全像原理的運作邏輯與此相同。然而,舊有的「穩定子碼」將糾纏嚴格劃分為空間與物質兩部分,且兩者互不干涉。這導致生成的空間雖然完美,卻是死氣沉沉且缺乏互動的。曹教授、普雷斯基爾及其同事於 2026 年開發的新一代代碼成為了解方:它充滿了非克利福德閘,因此具備了「魔法」。這種魔法讓空間糾纏與物質糾纏終於能夠產生交互作用,空間也因此開始因應物質而彎曲。曹教授對此態度謹慎:目前的代碼仍極具概括性,尚未能精確描述我們所在的宇宙或時間的流動。他表示:「這為我們提供了重力的雛形,我們目前正處於從 0 到 5 步中的第 0.5 步。」

儘管尚處於早期階段,一幅美麗且出人意料的圖景已隱約浮現。量子力學的兩大核心特性——糾纏與魔法——恰好對應了空間的兩大屬性:形狀與彈性。這意味著空間本身或許就是人類所能想像出最「量子化」的事物之一。更有甚者,重力似乎源自於編碼的瑕疵:不具備「魔法」的代碼能完美保護資訊,卻會產生沒有重力的慣性空間;而真實的重力,反而是從資訊編碼的洩漏與混合中產生的。若將此比喻推向極致,清華大學物理學家巴特克·切赫曾開玩笑說,正是代碼中那點輕微的「疏漏」,才讓牛頓的蘋果在當年落向地面。

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來源

  • Charlie Wood «Entanglement Builds Space-Time. Now “Magic” Gives It Gravity» (Quanta Magazine, 3 июня 2026)

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