2026年7月14日——现代物理学最深远的追求之一，是理解时空结构如何从基本量子自由度中涌现出来，从而建立量子引力理论。在一篇题为量子计算机上全息码中类引力特征的观测的新论文中，来自美国国家量子实验室 (QLab@UMD)、杜克量子中心、弗吉尼亚理工大学量子信息科学与工程中心、加州理工学院量子信息与物质研究所、IonQ 和 BlueQubit 的研究人员，成功根据 AdS/CFT 对应，模拟了量子引力的理论模型。由 Crystal Noel 和 Charles Cao 领导的团队，包括量子计算先驱 John Preskill 和 Christopher Monroe。

该研究使用 IonQ Forte 离子阱量子计算机，实现了引人入胜的 HaPPY 量子纠错码，这为量子计算与量子引力之间架起了一座桥梁。该代码模拟了一个具有负宇宙学常数的（高度简化的）宇宙模型，该模型具有所谓的体-边界对应关系，其中高维引力宇宙（体）的性质完全由生活在边界上的、没有引力的低维量子系统决定。该团队成功演示了这些系统的基本纠缠特性。

理论基础：什么是 AdS/CFT？

要理解这个实验，探索反德西特/共形场论 (AdS/CFT) 对应的框架会有所帮助，这是迄今为止全息原理最成功的实现。全息原理是量子引力中的一个概念，最初由 Gerard 't Hooft 提出，并由 Leonard Susskind 推广。

想象一个坚实的汤罐头。罐头内部（“体”）包含一个由引力支配的宇宙，以及一个称为反德西特空间 (AdS) 的扭曲时空几何背景。这里的“反”指的是负宇宙学常数 (Λ<0)，对应于一种试图将空间向内拉的吸引引力压力，而我们实际的宇宙则以正宇宙学常数 (Λ>0) 为特征，对应于一种导致宇宙加速膨胀的排斥性引力压力。AdS 的一个有趣特征是“保温瓶”效应：如果你在 AdS 中打开手电筒，光线实际上会发生弯曲，在有限时间内到达宇宙的边界，然后像一个反射性容器一样反弹回你身边。

与此同时，罐头外部平坦的标签（“边界”）包含一个完全没有引力的低维量子粒子系统。在 AdS/CFT 的情形下，这是一个高度对称的共形场论 (CFT)，它对于时空的共形变换具有不变性，包括所有保角变换，如平移、旋转和拉伸。

AdS/CFT 对应由 Juan Maldacena 于 1997 年首次提出。它确立了所描述的体系统和边界系统是对完全相同物理学的数学等效描述！体宇宙内发生的一切——包括被空间扭曲的粒子路径——都完美地编码在位于边界表面的粒子的复杂量子纠缠模式中。本质上，内部的时空和引力可以被视为直接由外部的纠缠投影产生的全息图。

与量子纠错的联系：HaPPY 码

物理学家如何在有限的数字量子计算机中模拟一个连续的宇宙？在这项研究中，研究人员利用了与一种特殊类型的量子纠错码之间美妙的联系。

为了保护量子信息免受环境噪声（退相干）的影响，物理学家将每条信息——一个“逻辑”量子比特——编码成一种高度纠缠的状态，分布在许多物理量子比特上。由于信息是以冗余、分布式的方式编码的，系统可以承受局部损伤（例如物理量子比特丢失其状态）而不会丢失总体逻辑信息，只要错误不是太频繁，就可以进行纠正。

值得注意的是，这个计算机科学概念也在 AdS/CFT 对应中实现了。在这个框架中，从边界恢复编码在引力体深处的物理事件和信息，从根本上与从（受扰动的）物理量子比特网络中恢复逻辑量子比特遵循相同的数学过程。

为了研究有限量子系统中的这种对偶性，研究人员使用了全息纠错码，其典型范例是 HaPPY 码，以其创建者 Harlow、Pastawski、Preskill 和 Yoshida 的名字命名。HaPPY 码是使用“完美”张量网络构建的，该网络铺满双曲空间以表示 AdS 宇宙的一个切片。通过将位于该网络内部的逻辑体量子比特映射到其外边缘的物理边界量子比特，HaPPY 码自然地再现了全息词典的关键特征。最值得注意的是，它满足 Ryu-Takayanagi 公式，将引力体中的几何区域与边界上的量子纠缠联系起来。

假设噪声或对手破坏了 HaPPY 码边界上的一大块物理量子比特（擦除错误）。在一个“贪婪”算法中，我们可以从剩余的未损坏的边界量子比特开始。如果一组工作边界量子比特连接到网络内的一个完美张量，则可以利用该张量的数学属性向内部“推进”，重新获得其正后方的逻辑空间。只要被破坏的边界区域足够小，该算法就能一直推进到中心，完全绕过错误并重建逻辑量子比特。

实验里程碑：测试 Faulkner-Lewkowycz-Maldacena 公式

全息词典的一个主要条目是 Ryu-Takayanagi 公式及其量子精炼的后续版本 Faulkner-Lewkowycz-Maldacena 公式。这些方程表示，边界上区域 A 的纠缠熵（量子信息的一种度量）与体内部相应的最小面积曲面 γA（例如，一个延伸到体内部的肥皂膜）以及由 A 和 γA 包围的体积内任何量子物质的熵直接成正比：

S(A)边界 = Area(γA) / (4GN) + S体

使用 IonQ Forte 量子计算机，研究人员将 HaPPY 码的各层编译成高度优化的门序列。通过系统地改变模拟体量子比特的纠缠度 (θ)，研究人员执行了完整的量子态层析成像以提取产生的熵。他们首次通过实验证实，随着体物质变得更加纠缠，边界熵完美地同步增加，而计算出的几何面积项则保持完全恒定——正如 FLM 公式对稳定背景空间的预测。

注入“魔法”以模拟空间扭曲

虽然标准的 HaPPY 码像一个刚性的背景，但实际的引力是动态的：物质具有质量和能量，会物理地扭曲时空的几何结构（引力反作用）。由于标准 HaPPY 码由基本的 Clifford 门构建，其几何结构是完quán刚性的，无法响应物质状态的变化。

为了引入这种扭曲的类似物，该团队注入了非稳定子资源——在量子信息科学中称为“魔法”。通过向量子门添加故意过旋转和欠旋转，电路偏离了其刚性的 Clifford 约束。

在激活魔法的情况下，该团队测量了原面积熵（边界熵与体熵之差）。值得注意的是，他们观察到几何面积项不再是静态的；而是随着体量子比特变得更加纠缠而增长。这类似于一个引力系统，其中量子物质的存在改变了周围的涌现几何结构。

探索多系统连接性

最后，研究人员通过将两个完全独立副本的魔法增强型 HaPPY 码的逻辑体自由度纠缠在一起，将代码边界推向了双面配置。

根据 Maldacena 和 Susskind 开创的著名 ER=EPR 猜想，纠缠两个黑洞会创建一个连接它们时空的物理虫洞桥梁。在这个探索性的电路设置中，研究人员观察到了与单副本码完全相反的趋势：随着两个独立代码块之间的纠缠增强，测量的原面积熵减小。在全息语言中，这种熵的下降在性质上让人联想到虫洞口收缩，缩短了两个不同空间区域之间的距离。