物理学家知道量子物理学和引力理论之间存在着巨大的鸿沟。然而，近几十年来，理论物理学家只是提供了一些似是而非的猜想来弥合这一差距并描述复杂量子多体系统的行为。现在，德国柏林自由大学和柏林亥姆霍兹材料和能源中心(HZB)的一个理论小组与美国哈佛大学一起，已经证明了有关此类系统中复杂行为的一个数学猜想，他们的工作提高了建造这座跨越鸿沟之桥的可行性。该工作发表在近期的《自然物理学》上。

柏林自由大学和柏林亥姆霍兹材料和能源中心的理论物理学家Jens Eisert教授说：“我们为物理学中的一个重要问题找到了一个非常简单的解决方案…我们的研究结果为理解从黑洞到复杂多体系统的混沌量子系统的物理特性提供了坚实的基础。”

柏林物理学家Jonas Haferkamp、Philippe Faist、Naga Kothakonda和Jens Eisert仅使用笔和纸，与当时在哈佛大学工作的Nicole Yunger Halpern一起成功地证明了一个对复杂量子多体系统具有重大意义的猜想。Eisert教授团队的学生和该论文第一作者Jonas Haferkamp博士解释说：“例如，当你想描述黑洞甚至虫洞的体积时，它就会发挥作用。”

复杂的量子多体系统可以通过所谓的量子比特电路来重建。然而问题是：准备所需的状态需要多少基本操作？从表面上看，这个最小数量的操作——系统的复杂性——似乎一直在增长。斯坦福大学的物理学家Adam Brown和Leonard Susskind将这种直觉表述为一个数学猜想：多粒子系统的量子复杂性应该首先会在天文数字上长时间保持线性增长，然后——甚至更长的时间里——会保持在最大的复杂性状态。

他们的猜想是由理论上的虫洞行为所引发的，虫洞的体积似乎在很长一段时间内呈线性增长。实际上，研究人员进一步推测得出，从两个不同的角度来看，虫洞的复杂性和体积是一回事。Haferkamp解释说：“描述中的这种冗余也被称为全息原理，是统一量子理论和引力的重要方法。Brown和Susskind关于复杂性增长的猜想可以看作是对全息原理思想的合理性检验。”

该小组现在已经表明，随机电路的量子复杂性确实会随时间线性增加，直到它在一个与系统大小成指数关系的时间点时达到饱和。这种随机电路是多体系统动力学的有力模型。证明猜想的困难在于，很难排除存在“捷径”，即复杂度远低于预期的随机电路。Haferkamp说：“我们的证明是几何学与量子信息论方法的惊人组合。这种新方法可以解决绝大多数系统的猜想，而不需要解决个别状态臭名昭著的难题。”（编译:Qtech）