整個宇宙就是一台巨型量子計算機！俄新研究顛覆宇宙學理論
新智元報道
來源：TNW
編輯：大明
【新智元導讀】俗話說，遇事不決，量子力學。最近俄羅斯研究人員提出了關於宇宙的驚人理論：整個宇宙都是量子的，而且存在多個其他的宇宙，與我們宇宙進行著交互，所以從宏觀上看，我們都生活在一台巨大的量子計算機中。你信嗎？來新智元AI朋友圈和AI大咖們一起討論吧。
俄羅斯康德大學（IKBFU）的物理學家最近提出了關於宇宙的全新觀點。他們認為，我們實際上生活在巨大的量子計算機仿真世界中，並將這個觀點與許多令人難以置信的“多重世界”理論結合在了一起。文章提出，實質上整個宇宙可能都是無數個宇宙組成的大型量子係統的一部分。
最近，IBM和穀歌在量子計算領域打得火熱。量子計算機也許有一天可以執行經典計算機無法完成的高級計算任務，但是目前，量子理論還隻是填補經典世界與量子世界之間鴻溝的一種方法。
IBM量子計算機的早期版本
遇事不決，量子力學：整個宇宙都是量子的？
這項研究的論文作者，俄羅斯康德大學物理、數學與信息拓撲學研究所的研究人員Artyam Yurov和Valerian Yurov認為，宇宙中的所有事物，包括宇宙本身，都應被視為量子的。這意味著，要體驗“量子現實”，我們並不需要研究亞原子粒子或量子比特：我們已經在量子世界中。我們周圍的一切都是量子的！
論文首先指出，他們是基於目前流行的理論物理學觀點得出這個驚人結論的：
基於邁克爾和霍爾提出的量子模型，我們提出了關於宇宙學的新觀點。我們繼續探索這一模型的思想，考慮了許多經典的均質和各向同性的宇宙，這些宇宙的演化由標準的愛因斯坦-弗裏德曼方程確定，但它們之間也發生了量子力學領域的相互作用。
論文以數學方式描述了整個宇宙本身就是一個量子體的觀點。這意味著，宇宙也和微小的亞原子粒子一樣，具有包括“疊加”在內的量子性質。從理論上講，我們的宇宙應該一次能夠處於一個以上的位置或狀態，這意味著必須存在某種可以與之相互作用的對象，這個對象甚至可能是宇宙自己。
將量子力學擴展至大型宏觀目標的問題在於，其他理論量子特征變得不再有意義。在這種情況下，“退相幹”或量子目標如何從多個狀態“坍縮”到我們在經典觀測中看到的物理狀態，似乎在宇宙的尺度上說不通。
對此，研究人員有一個簡單的解釋：根本就 “沒有'退相幹'這種事情。”
論文作者之一Artyom Yurov表示：
以前，我對這個想法也持懷疑態度。因為眾所周知，目標越大，坍縮起來就越快。即使是細菌的坍縮速度也非常快，而現在我們說的是宇宙。但如果你問我：“宇宙與什麽東西進行相互作用？”，那麽除了另一個宇宙，再沒有什麽別的東西可以與之互動了。
但是，本研究進一步探索了“多重相互作用的世界”（MIW）理論，該理論認為，所有量子特征都會在另一種現實中真實表現出來（一隻貓，在一個世界上已經死了，在另一個世界上還活著，在另一個世界上跳舞等等。）他們逐步認識到，這個理論不僅有意義，而且如果假設所有事物（包括宇宙在內）都具有量子特征，那麽數學和科學似乎就會變得更加和諧。
我們隻是量子宇宙計算時可忽略的“噪音”
該研究認為：
量子現象如此脆弱的原因與“波函數的坍縮”無關。實際上，諸如波函數之類的對象是無關緊要的。量子現象的存在完全依賴於相鄰“世界”的相互位置：當兩個世界足夠接近時，量子勢能不僅活躍地表現出來，而且會不斷增強。當兩個世界彼此遠離，量子勢能減弱，粒子又重新表現為經典世界中的特征。
利用這個假設，研究人員通過計算，將“多世界”量子理論擴展到涵蓋“多宇宙“範圍。研究認為，如果宇宙是一個量子體，它必須與其他物體相互作用，而這個物體可能是其他的宇宙。
但是，這項研究並沒能解釋，為什麽我們的宇宙中的所有事物，都像一個巨大的量子計算機中同時跨越多個宇宙的單個量子比特一樣的存在。如果目前的宇宙表現出經典現實世界的特征，並不是因為我們在觀測“量子宇宙”，導致其坍縮為“經典宇宙”的話，那麽另一個可能的原因就是，我們是巨大機器中的齒輪，也許宇宙就是一個量子比特，也許我們也是量子比特。也許，我們隻是宇宙在進行計算時會忽略的噪音。
對這篇論文中提出的“多重量子宇宙”觀點，你怎麽看？
參考鏈接：
壹線生活 的報道
宇宙可能具有量子性質
俄羅斯加裏寧格勒大學物理，數學和信息技術研究所所長阿爾約姆·尤羅夫和該研究所副教授維列恩·尤羅夫在《歐洲物理雜誌》上發表論文稱，根據計算，宇宙可能具有量子性質。
量子力學在當代宇宙動力學中是否扮演重要角色？我們整個宇宙能否表現得像一個量子物體？乍一看，這些問題毫無意義，畢竟，我們可觀察的宇宙是絕對巨大的物體，其視界半徑估計約為10的28方厘米。取而代之的是，我們習慣於在原子尺度及以下的尺度上研究量子問題，而不是在宏觀尺度及以上的尺度上來思考量子力學現象。
阿爾約姆·尤羅夫教授
阿爾約姆·尤羅夫解釋說：“首先，讓我們想想什麽是量子物理學。根據量子理論，電子可以同時存在於多個位置。試想一下，您的貓躺在沙發上，同時在房間另一角的碗裏進食。貓既不在這裏或那裏，而是同時在兩個地方。但是，隻有在您看到貓之前，貓才在那裏。從開始凝視它的那一刻起，它便將位置更改為吃飯處或沙發。當然，您可能會問，如果我們不觀察貓時，我們如何知道它實際上位置？答案很簡單：數學！當我們觀察到這個粒子時，它確實會出現在一個地方並且可以記錄下來，但是當我們不觀察它時，它同時在兩個地方。”
貓由基本粒子組成，例如電子，質子和中子。在量子水平上測量時，所有粒子的行為均相同。
另一個問題是：“觀察”能力的神奇之處是什麽？因為當我們不“觀察”時，物體在整個宇宙中都被“塗抹”了，但是當我們看著它的那一刻，它被聚集在一個地方。物理學家不是說“聚集”，而是說“波函數崩潰了”，但是這實際上是觀察到的結果在一個地方“聚集”了！我們如何做到這一點？
阿爾約姆·尤羅夫表示：“在過去，我對這個想法持懷疑態度。因為眾所周知，物體越大，折疊起來越快。甚至細菌的崩潰速度也非常快，在這裏我們談論的是宇宙。從理論上講，這可以將其視為量子對象。”
維列恩·尤羅夫教授
物體的每個位置都被描述為一個單獨的“世界”，但是據信這些“世界”以真實的“力”相互作用。這項研究是建立在弗裏德曼-愛因斯坦宇宙方程式以及邁克爾和霍爾提出的量子模型的基礎上，也就是說，宇宙在空間上是均一且各向同性的，但它們也通過邁克爾和霍爾提出的機製相互進行量子力學相互作用。
根據兩個模型，兩位科學家注意到以下一個非凡的事實：在模型中，量子效應所產生的動力學與假設的幻像場所產生的動力學相同。更準確地說，在宇宙演化的某個階段，宇宙會經曆幻像加速度，這被證明是一個完全的量子現象。
因此，量子力學效應不僅可以在微觀尺度上體現出來，而且可以在宇宙尺度上體現出來。兩位科學家進一步證明，這種新的量子力學相互作用的加入導致了許多有趣的宇宙學預測，甚至可能為“暗物質”和“幻像場”或者“蟲洞”現象提供自然的物理解釋。
麻省理工學院機械工程教授塞思·勞埃德（Seth Lloyd）提出了一個有趣的想法，即宇宙本身可以被視為一台量子計算機。在他的作品中，他探索了宇宙的概念，不僅僅是執行計算，而是本身就是一種計算。這種觀點表明，宇宙中粒子之間的所有相互作用不僅傳遞能量，還傳遞信息，這意味著粒子不僅會碰撞，還會計算12.
勞埃德的假設在他關於arXiv的文章和他的《宇宙編程》一書中都有詳細的介紹，他在書中深入探討了數字計算的曆史以及計算概念在多大程度上可以應用於宇宙12.他的觀點提出了一個宇宙的量子計算模型，可以解釋普通物理定律所不包含的各種觀察到的現象1.
對於那些對更直觀的解釋感興趣的人，YouTube 上還有對 Seth Lloyd 的采訪錄音，他在量子計算研究所的工作中討論了這些想法3.這是一個引人入勝的話題，它彌合了量子物理學和信息論之間的差距，為我們提供了一個全新的視角，通過它我們可以理解宇宙。
宇宙會是一台巨大的量子計算機嗎？
計算規則可能比物理學的動力學方程更能描述宇宙的演化，但前提是它們被賦予量子扭曲。
由大衛·錢德勒
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網絡安全，手即將觸摸計算機屏幕，數據流通過。
物理學可以全部解釋為對信息位的操縱。
今年6月，美國計算機科學家和物理學家愛德華·弗雷德金（Edward Fredkin）去世，除了《紐約時報》遲來的訃告外，基本上沒有引起人們的注意。然而，盡管弗雷德金從未像他的一些同時代人那樣成為家喻戶曉的名字，但他對他所跨越的兩個學科都產生了巨大的影響。
許多人仍然對他的中心論點表示不滿：物理定律，以及宇宙本身的定律，本質上是計算機算法的結果。但弗雷德金所倡導的“數字物理學”已經從蒼白無力到幾乎成為主流。“當時，計算科學可以教你任何關於物理學的知識，這被認為是一個完全瘋狂的想法，”加拿大計算機科學家諾曼·馬戈魯斯（Norman Margolus）說，他是弗雷德金的長期合作者，也是他唯一的物理學博士生。“從那時起，世界就發生了變化，現在一切都非常受人尊敬。”
粒子、波，兩者兼而有之還是兩者都不是？挑戰我們對現實的所有了解的實驗
弗雷德金從帕薩迪納的加州理工學院（Caltech）輟學，於1953年加入美國空軍，成為一名戰鬥機飛行員，並最終成為緊密編隊噴氣式飛機飛行員精英軍團的教官。1956 年，美國空軍將他派往列克星敦的麻省理工學院 （MIT） 林肯實驗室，研究使用計算機處理雷達信息以指導飛行員。1958年離開空軍後，弗雷德金加入了位於馬薩諸塞州劍橋市的開創性計算公司Bolt Beranek & Newman，該公司現在是雷神公司的一部分，在那裏他編寫了一種早期的匯編語言，並參與了人工智能（AI）研究。在創立了自己的公司 Information International 後，他專門從事成像硬件和軟件，並於 1968 年回到麻省理工學院擔任正教授，盡管他甚至沒有本科學位。
弗雷德金最終領導了MAC項目，這是一個發展成為麻省理工學院計算科學實驗室的研究機構。該職位隻是眾多投資組合中的一個。“他在現實世界中做了很多事情，”馬戈盧斯說，他現在是麻省理工學院的一名獨立研究員。其中包括經營他的公司，為一家海水淡化公司設計反滲透係統，以及管理ABC在馬薩諸塞州波士頓的分支機構新英格蘭電視台。馬戈盧斯說，根據合同，弗雷德金每周隻能進行一天的戶外活動，有時一次幾周都見不到。
前瞻性思維
在 1960 年代後期，人工智能仍然是一個主要理論概念，但弗雷德金很早就掌握了能夠學習和自主決策的機器帶來的政策挑戰，包括國家安全。他倡導人工智能研究方麵的國際合作，認識到盡早就如何使用該技術達成共識將防止出現問題。然而，召開該領域頂級思想家國際會議的嚐試從未完全實現——這一失敗至今仍引起共鳴。
1974年，弗雷德金離開麻省理工學院，在加州理工學院擔任了一年的傑出學者，在那裏他結識了物理學家理查德·費曼和斯蒂芬·霍金。然後，他在賓夕法尼亞州匹茲堡的卡內基梅隆大學接受了終身教職，後來又在波士頓大學擔任了第二個職位。從那時起，他開始研究可逆計算。
埃德·弗雷德金（Ed Fredkin）正在研究編程數據處理器。
愛德華·弗雷德金（Edward Fredkin）認為計算可以解釋的內容幾乎沒有局限性。圖片來源：計算機科學學院/卡內基梅隆大學
當時，人們普遍認為可逆計算是不可能的。傳統的數字計算機由一係列邏輯門（AND、OR、XOR等）組裝而成，其中兩個輸入通常變成一個輸出。輸入的信息被擦除，產生熱量，並且該過程無法逆轉。Fredkin 與 Margolus 和一位年輕的意大利電氣工程師 Tommaso Toffoli 一起展示了某些具有三個輸入和三個輸出的門——後來被稱為 Fredkin 和 Toffoli 門——可以被安排成可以保留任何可能計算的所有中間步驟，從而允許在完成時逆轉該過程。正如他們在 1982 年的一篇開創性論文中指出的那樣，至少在理論上，用這些門構建的計算機可能不會產生廢熱，因此不會消耗能源1.
這最初似乎隻不過是一種好奇心。弗雷德金認為，這個概念可能有助於開發更高效的計算機，減少浪費的熱量，但沒有實用的方法可以完全使用經典計算機來實現這個想法。然而，在1981年，當弗雷德金和托弗利在麻省理工學院組織了計算物理學研討會時，曆史發生了新的轉折。費曼是在場的傑出人物之一。在一篇著名的論文中，他建議，與其試圖用傳統的數字計算機模擬量子現象，不如使用一些表現出量子行為的物理係統可能是更好的工具。
這次演講被廣泛認為是量子計算機時代的到來，量子計算機利用量子力學的全部力量來解決某些問題，例如費曼正在解決的量子模擬問題，比任何經典計算機都快得多。四十年過去了，小型量子計算機現在正在開發中。使它們工作所需的電子設備、激光器和冷卻係統消耗大量功率，但量子邏輯運算本身幾乎是無損的。
數字物理
可逆計算“確實是能夠構思量子計算機的基本先決條件”，麻省理工學院的機械工程師塞思·勞埃德（Seth Lloyd）說，他在1993年開發了被認為是量子計算機的第一個可實現概念2.勞埃德補充說，盡管IBM物理學家查爾斯·貝內特（Charles Bennett）也製作了可逆計算模型，但弗雷德金（Fredkin）、托弗利（Toffoli）和馬戈魯斯（Margolus）描述的零耗散版本最終成為構建量子計算的模型。
物理學家在量子計算機中創造了一個蟲洞嗎？
在他們 1982 年的論文中，Fredkin 和 Toffoli 開始朝著一個完全不同的方向發展他們在可逆計算方麵的工作。它始於一個看似無聊的類比：台球桌。他們展示了如何用完全可逆的台球相互作用來表示數學計算，假設無摩擦的桌子和球在沒有摩擦的情況下相互作用。
可逆概念的這種物理表現源於托弗利的想法，即計算概念可能是比傳統上用於描述運動和變化的微分方程更好的封裝物理學的方法。弗雷德金更進一步，得出結論，整個宇宙實際上可以被看作是一種計算機。在他看來，這是一個“元胞自動機”：一個計算位或單元的集合，可以根據一組定義的規則來翻轉狀態，這些規則由它們周圍的單元的狀態決定。隨著時間的流逝，這些簡單的規則可以引起宇宙的所有複雜性——甚至是生命。
他並不是第一個提出這種想法的人。德國土木工程師康拉德·祖塞（Konrad Zuse）在第二次世界大戰前開發了最早的可編程計算機之一，他在1969年出版的《計算空間》（Calculate Space）一書中提出，宇宙可以被視為一個經典的數字元胞自動機。弗雷德金和他的同事們非常專注地發展了這個概念，花了數年時間尋找簡單的計算規則如何產生與亞原子粒子和力相關的所有現象的例子3.
不是每個人都印象深刻。馬戈魯斯回憶說，當時也是麻省理工學院教員的著名物理學家菲利普·莫裏森（Philip Morrison）告訴弗雷德金的學生，弗雷德金是一名計算機科學家，所以他認為世界是一台大計算機，但如果他是一個奶酪商人，他會認為世界是一個大奶酪。當英國計算機科學家斯蒂芬·沃爾夫勒姆（Stephen Wolfram）在他2002年出版的《一種新的科學》（A New Kind of Science）一書中提出類似的想法時，弗雷德金的反應是：“沃爾夫勒姆是第一個相信這些東西的重要人物。我一直很孤獨。
然而，事實上，Wolfram 並不是唯一一個探索這些想法的人。雖然弗雷德金本人最初使用“數字物理學”一詞，後來又使用“數字哲學”一詞，但該主題的現代變體使用了“泛計算主義”和“數字主義”等術語。包括荷蘭物理學獎得主傑拉德·特·霍夫特（Gerard 't Hooft）和美國物理學家約翰·惠勒（John Wheeler）在內的研究人員都支持它們，他著名的“從位開始”的說法是對這一假設的精辟表達。
進入量子領域
包括馬戈盧斯在內的一些人繼續發展該理論的經典版本。其他人則得出結論，經典的計算模型不能解釋我們觀察到的宇宙的複雜性。根據勞埃德的說法，弗雷德金最初的數字宇宙理論“對經典數字宇宙能夠理解量子力學現象存在非常嚴重的障礙”。但是，將弗雷德金數字物理學的經典計算規則換成量子規則，很多問題就會消失。你可以捕捉到量子宇宙的內在特征，比如在空間中分離的兩個量子態之間的糾纏，這是建立在經典思想基礎上的理論所無法做到的。
IBM 量子計算機通過計算裏程碑
勞埃德在1990年代開始的一係列論文以及2006年的《宇宙編程》一書中都支持這一觀點。它最終全麵闡述了量子計算規則如何解釋已知的物理定律——基本粒子理論、粒子物理學的標準模型，甚至可能是基礎物理學的聖杯：引力的量子理論4.
這些提議與最近由英國牛津大學的瑞典哲學家尼克·博斯特羅姆（Nick Bostrom）等人提出的“我們生活在計算機模擬中”的想法截然不同5.數字宇宙假設計算宇宙的基本初始條件和規則是自然產生的，就像傳統物理學的粒子和力在大爆炸及其後果中自然產生一樣，而模擬假說則認為宇宙都是由一些高度先進的智能外星程序員故意構建的，也許是某種宏大的實驗， 甚至作為一種遊戲——在勞埃德看來，這是一種難以置信的努力。
數字宇宙的基本概念可能是可以測試的。為了讓宇宙由一個微小的普朗克尺度的數據比特係統產生——目前的物理學理論預計會在這個尺度上崩潰——空間和時間必須由離散的、量子化的實體組成。這種粒度時空的影響可能表現在微小的差異中，例如，不同頻率的光在數十億光年內傳播所需的時間。然而，要真正確定這個想法，可能需要一個量子引力理論，該理論在宏觀尺度上建立了愛因斯坦廣義相對論的影響與微觀尺度上的量子效應之間的關係。到目前為止，理論家們還沒有做到這一點。在這裏，數字世界可能隻是幫助自己。勞埃德說，引力量子理論的熱門路線正逐漸開始看起來更具計算性，例如霍夫特引入的全息原理，該原理認為我們的世界是低維現實的投影。“這些量子數字宇宙的想法似乎有希望能夠揭示其中一些謎團，”勞埃德說。
這隻是一個非常規故事中的最新轉折。弗雷德金本人認為，他缺乏典型的物理學教育，在一定程度上使他能夠對這個問題得出自己獨特的觀點。勞埃德傾向於同意。“我認為，如果他接受過更傳統的教育，如果他能晉升並參加標準的物理課程等等，也許他會做不那麽有趣的工作。
自然 620， 943-945 （2023）
doi： https://doi.org/10.1038/d41586-023-02646-x
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