整个宇宙就是一台巨型量子计算机！俄新研究颠覆宇宙学理论
新智元报道
来源：TNW
编辑：大明
【新智元导读】俗话说，遇事不决，量子力学。最近俄罗斯研究人员提出了关于宇宙的惊人理论：整个宇宙都是量子的，而且存在多个其他的宇宙，与我们宇宙进行着交互，所以从宏观上看，我们都生活在一台巨大的量子计算机中。你信吗？来新智元AI朋友圈和AI大咖们一起讨论吧。
俄罗斯康德大学（IKBFU）的物理学家最近提出了关于宇宙的全新观点。他们认为，我们实际上生活在巨大的量子计算机仿真世界中，并将这个观点与许多令人难以置信的“多重世界”理论结合在了一起。文章提出，实质上整个宇宙可能都是无数个宇宙组成的大型量子系统的一部分。
最近，IBM和谷歌在量子计算领域打得火热。量子计算机也许有一天可以执行经典计算机无法完成的高级计算任务，但是目前，量子理论还只是填补经典世界与量子世界之间鸿沟的一种方法。
IBM量子计算机的早期版本
遇事不决，量子力学：整个宇宙都是量子的？
这项研究的论文作者，俄罗斯康德大学物理、数学与信息拓扑学研究所的研究人员Artyam Yurov和Valerian Yurov认为，宇宙中的所有事物，包括宇宙本身，都应被视为量子的。这意味着，要体验“量子现实”，我们并不需要研究亚原子粒子或量子比特：我们已经在量子世界中。我们周围的一切都是量子的！
论文首先指出，他们是基于目前流行的理论物理学观点得出这个惊人结论的：
基于迈克尔和霍尔提出的量子模型，我们提出了关于宇宙学的新观点。我们继续探索这一模型的思想，考虑了许多经典的均质和各向同性的宇宙，这些宇宙的演化由标准的爱因斯坦-弗里德曼方程确定，但它们之间也发生了量子力学领域的相互作用。
论文以数学方式描述了整个宇宙本身就是一个量子体的观点。这意味着，宇宙也和微小的亚原子粒子一样，具有包括“叠加”在内的量子性质。从理论上讲，我们的宇宙应该一次能够处于一个以上的位置或状态，这意味着必须存在某种可以与之相互作用的对象，这个对象甚至可能是宇宙自己。
将量子力学扩展至大型宏观目标的问题在于，其他理论量子特征变得不再有意义。在这种情况下，“退相干”或量子目标如何从多个状态“坍缩”到我们在经典观测中看到的物理状态，似乎在宇宙的尺度上说不通。
对此，研究人员有一个简单的解释：根本就 “没有'退相干'这种事情。”
论文作者之一Artyom Yurov表示：
以前，我对这个想法也持怀疑态度。因为众所周知，目标越大，坍缩起来就越快。即使是细菌的坍缩速度也非常快，而现在我们说的是宇宙。但如果你问我：“宇宙与什么东西进行相互作用？”，那么除了另一个宇宙，再没有什么别的东西可以与之互动了。
但是，本研究进一步探索了“多重相互作用的世界”（MIW）理论，该理论认为，所有量子特征都会在另一种现实中真实表现出来（一只猫，在一个世界上已经死了，在另一个世界上还活着，在另一个世界上跳舞等等。）他们逐步认识到，这个理论不仅有意义，而且如果假设所有事物（包括宇宙在内）都具有量子特征，那么数学和科学似乎就会变得更加和谐。
我们只是量子宇宙计算时可忽略的“噪音”
该研究认为：
量子现象如此脆弱的原因与“波函数的坍缩”无关。实际上，诸如波函数之类的对象是无关紧要的。量子现象的存在完全依赖于相邻“世界”的相互位置：当两个世界足够接近时，量子势能不仅活跃地表现出来，而且会不断增强。当两个世界彼此远离，量子势能减弱，粒子又重新表现为经典世界中的特征。
利用这个假设，研究人员通过计算，将“多世界”量子理论扩展到涵盖“多宇宙“范围。研究认为，如果宇宙是一个量子体，它必须与其他物体相互作用，而这个物体可能是其他的宇宙。
但是，这项研究并没能解释，为什么我们的宇宙中的所有事物，都像一个巨大的量子计算机中同时跨越多个宇宙的单个量子比特一样的存在。如果目前的宇宙表现出经典现实世界的特征，并不是因为我们在观测“量子宇宙”，导致其坍缩为“经典宇宙”的话，那么另一个可能的原因就是，我们是巨大机器中的齿轮，也许宇宙就是一个量子比特，也许我们也是量子比特。也许，我们只是宇宙在进行计算时会忽略的噪音。
对这篇论文中提出的“多重量子宇宙”观点，你怎么看？
参考链接：
壹线生活 的报道
宇宙可能具有量子性质
俄罗斯加里宁格勒大学物理，数学和信息技术研究所所长阿尔约姆·尤罗夫和该研究所副教授维列恩·尤罗夫在《欧洲物理杂志》上发表论文称，根据计算，宇宙可能具有量子性质。
量子力学在当代宇宙动力学中是否扮演重要角色？我们整个宇宙能否表现得像一个量子物体？乍一看，这些问题毫无意义，毕竟，我们可观察的宇宙是绝对巨大的物体，其视界半径估计约为10的28方厘米。取而代之的是，我们习惯于在原子尺度及以下的尺度上研究量子问题，而不是在宏观尺度及以上的尺度上来思考量子力学现象。
阿尔约姆·尤罗夫教授
阿尔约姆·尤罗夫解释说：“首先，让我们想想什么是量子物理学。根据量子理论，电子可以同时存在于多个位置。试想一下，您的猫躺在沙发上，同时在房间另一角的碗里进食。猫既不在这里或那里，而是同时在两个地方。但是，只有在您看到猫之前，猫才在那里。从开始凝视它的那一刻起，它便将位置更改为吃饭处或沙发。当然，您可能会问，如果我们不观察猫时，我们如何知道它实际上位置？答案很简单：数学！当我们观察到这个粒子时，它确实会出现在一个地方并且可以记录下来，但是当我们不观察它时，它同时在两个地方。”
猫由基本粒子组成，例如电子，质子和中子。在量子水平上测量时，所有粒子的行为均相同。
另一个问题是：“观察”能力的神奇之处是什么？因为当我们不“观察”时，物体在整个宇宙中都被“涂抹”了，但是当我们看着它的那一刻，它被聚集在一个地方。物理学家不是说“聚集”，而是说“波函数崩溃了”，但是这实际上是观察到的结果在一个地方“聚集”了！我们如何做到这一点？
阿尔约姆·尤罗夫表示：“在过去，我对这个想法持怀疑态度。因为众所周知，物体越大，折叠起来越快。甚至细菌的崩溃速度也非常快，在这里我们谈论的是宇宙。从理论上讲，这可以将其视为量子对象。”
维列恩·尤罗夫教授
物体的每个位置都被描述为一个单独的“世界”，但是据信这些“世界”以真实的“力”相互作用。这项研究是建立在弗里德曼-爱因斯坦宇宙方程式以及迈克尔和霍尔提出的量子模型的基础上，也就是说，宇宙在空间上是均一且各向同性的，但它们也通过迈克尔和霍尔提出的机制相互进行量子力学相互作用。
根据两个模型，两位科学家注意到以下一个非凡的事实：在模型中，量子效应所产生的动力学与假设的幻像场所产生的动力学相同。更准确地说，在宇宙演化的某个阶段，宇宙会经历幻像加速度，这被证明是一个完全的量子现象。
因此，量子力学效应不仅可以在微观尺度上体现出来，而且可以在宇宙尺度上体现出来。两位科学家进一步证明，这种新的量子力学相互作用的加入导致了许多有趣的宇宙学预测，甚至可能为“暗物质”和“幻像场”或者“虫洞”现象提供自然的物理解释。
麻省理工学院机械工程教授塞思·劳埃德（Seth Lloyd）提出了一个有趣的想法，即宇宙本身可以被视为一台量子计算机。在他的作品中，他探索了宇宙的概念，不仅仅是执行计算，而是本身就是一种计算。这种观点表明，宇宙中粒子之间的所有相互作用不仅传递能量，还传递信息，这意味着粒子不仅会碰撞，还会计算12.
劳埃德的假设在他关于arXiv的文章和他的《宇宙编程》一书中都有详细的介绍，他在书中深入探讨了数字计算的历史以及计算概念在多大程度上可以应用于宇宙12.他的观点提出了一个宇宙的量子计算模型，可以解释普通物理定律所不包含的各种观察到的现象1.
对于那些对更直观的解释感兴趣的人，YouTube 上还有对 Seth Lloyd 的采访录音，他在量子计算研究所的工作中讨论了这些想法3.这是一个引人入胜的话题，它弥合了量子物理学和信息论之间的差距，为我们提供了一个全新的视角，通过它我们可以理解宇宙。
宇宙会是一台巨大的量子计算机吗？
计算规则可能比物理学的动力学方程更能描述宇宙的演化，但前提是它们被赋予量子扭曲。
由大卫·钱德勒
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网络安全，手即将触摸计算机屏幕，数据流通过。
物理学可以全部解释为对信息位的操纵。
今年6月，美国计算机科学家和物理学家爱德华·弗雷德金（Edward Fredkin）去世，除了《纽约时报》迟来的讣告外，基本上没有引起人们的注意。然而，尽管弗雷德金从未像他的一些同时代人那样成为家喻户晓的名字，但他对他所跨越的两个学科都产生了巨大的影响。
许多人仍然对他的中心论点表示不满：物理定律，以及宇宙本身的定律，本质上是计算机算法的结果。但弗雷德金所倡导的“数字物理学”已经从苍白无力到几乎成为主流。“当时，计算科学可以教你任何关于物理学的知识，这被认为是一个完全疯狂的想法，”加拿大计算机科学家诺曼·马戈鲁斯（Norman Margolus）说，他是弗雷德金的长期合作者，也是他唯一的物理学博士生。“从那时起，世界就发生了变化，现在一切都非常受人尊敬。”
粒子、波，两者兼而有之还是两者都不是？挑战我们对现实的所有了解的实验
弗雷德金从帕萨迪纳的加州理工学院（Caltech）辍学，于1953年加入美国空军，成为一名战斗机飞行员，并最终成为紧密编队喷气式飞机飞行员精英军团的教官。1956 年，美国空军将他派往列克星敦的麻省理工学院 （MIT） 林肯实验室，研究使用计算机处理雷达信息以指导飞行员。1958年离开空军后，弗雷德金加入了位于马萨诸塞州剑桥市的开创性计算公司Bolt Beranek & Newman，该公司现在是雷神公司的一部分，在那里他编写了一种早期的汇编语言，并参与了人工智能（AI）研究。在创立了自己的公司 Information International 后，他专门从事成像硬件和软件，并于 1968 年回到麻省理工学院担任正教授，尽管他甚至没有本科学位。
弗雷德金最终领导了MAC项目，这是一个发展成为麻省理工学院计算科学实验室的研究机构。该职位只是众多投资组合中的一个。“他在现实世界中做了很多事情，”马戈卢斯说，他现在是麻省理工学院的一名独立研究员。其中包括经营他的公司，为一家海水淡化公司设计反渗透系统，以及管理ABC在马萨诸塞州波士顿的分支机构新英格兰电视台。马戈卢斯说，根据合同，弗雷德金每周只能进行一天的户外活动，有时一次几周都见不到。
前瞻性思维
在 1960 年代后期，人工智能仍然是一个主要理论概念，但弗雷德金很早就掌握了能够学习和自主决策的机器带来的政策挑战，包括国家安全。他倡导人工智能研究方面的国际合作，认识到尽早就如何使用该技术达成共识将防止出现问题。然而，召开该领域顶级思想家国际会议的尝试从未完全实现——这一失败至今仍引起共鸣。
1974年，弗雷德金离开麻省理工学院，在加州理工学院担任了一年的杰出学者，在那里他结识了物理学家理查德·费曼和斯蒂芬·霍金。然后，他在宾夕法尼亚州匹兹堡的卡内基梅隆大学接受了终身教职，后来又在波士顿大学担任了第二个职位。从那时起，他开始研究可逆计算。
埃德·弗雷德金（Ed Fredkin）正在研究编程数据处理器。
爱德华·弗雷德金（Edward Fredkin）认为计算可以解释的内容几乎没有局限性。图片来源：计算机科学学院/卡内基梅隆大学
当时，人们普遍认为可逆计算是不可能的。传统的数字计算机由一系列逻辑门（AND、OR、XOR等）组装而成，其中两个输入通常变成一个输出。输入的信息被擦除，产生热量，并且该过程无法逆转。Fredkin 与 Margolus 和一位年轻的意大利电气工程师 Tommaso Toffoli 一起展示了某些具有三个输入和三个输出的门——后来被称为 Fredkin 和 Toffoli 门——可以被安排成可以保留任何可能计算的所有中间步骤，从而允许在完成时逆转该过程。正如他们在 1982 年的一篇开创性论文中指出的那样，至少在理论上，用这些门构建的计算机可能不会产生废热，因此不会消耗能源1.
这最初似乎只不过是一种好奇心。弗雷德金认为，这个概念可能有助于开发更高效的计算机，减少浪费的热量，但没有实用的方法可以完全使用经典计算机来实现这个想法。然而，在1981年，当弗雷德金和托弗利在麻省理工学院组织了计算物理学研讨会时，历史发生了新的转折。费曼是在场的杰出人物之一。在一篇著名的论文中，他建议，与其试图用传统的数字计算机模拟量子现象，不如使用一些表现出量子行为的物理系统可能是更好的工具。
这次演讲被广泛认为是量子计算机时代的到来，量子计算机利用量子力学的全部力量来解决某些问题，例如费曼正在解决的量子模拟问题，比任何经典计算机都快得多。四十年过去了，小型量子计算机现在正在开发中。使它们工作所需的电子设备、激光器和冷却系统消耗大量功率，但量子逻辑运算本身几乎是无损的。
数字物理
可逆计算“确实是能够构思量子计算机的基本先决条件”，麻省理工学院的机械工程师塞思·劳埃德（Seth Lloyd）说，他在1993年开发了被认为是量子计算机的第一个可实现概念2.劳埃德补充说，尽管IBM物理学家查尔斯·贝内特（Charles Bennett）也制作了可逆计算模型，但弗雷德金（Fredkin）、托弗利（Toffoli）和马戈鲁斯（Margolus）描述的零耗散版本最终成为构建量子计算的模型。
物理学家在量子计算机中创造了一个虫洞吗？
在他们 1982 年的论文中，Fredkin 和 Toffoli 开始朝着一个完全不同的方向发展他们在可逆计算方面的工作。它始于一个看似无聊的类比：台球桌。他们展示了如何用完全可逆的台球相互作用来表示数学计算，假设无摩擦的桌子和球在没有摩擦的情况下相互作用。
可逆概念的这种物理表现源于托弗利的想法，即计算概念可能是比传统上用于描述运动和变化的微分方程更好的封装物理学的方法。弗雷德金更进一步，得出结论，整个宇宙实际上可以被看作是一种计算机。在他看来，这是一个“元胞自动机”：一个计算位或单元的集合，可以根据一组定义的规则来翻转状态，这些规则由它们周围的单元的状态决定。随着时间的流逝，这些简单的规则可以引起宇宙的所有复杂性——甚至是生命。
他并不是第一个提出这种想法的人。德国土木工程师康拉德·祖塞（Konrad Zuse）在第二次世界大战前开发了最早的可编程计算机之一，他在1969年出版的《计算空间》（Calculate Space）一书中提出，宇宙可以被视为一个经典的数字元胞自动机。弗雷德金和他的同事们非常专注地发展了这个概念，花了数年时间寻找简单的计算规则如何产生与亚原子粒子和力相关的所有现象的例子3.
不是每个人都印象深刻。马戈鲁斯回忆说，当时也是麻省理工学院教员的著名物理学家菲利普·莫里森（Philip Morrison）告诉弗雷德金的学生，弗雷德金是一名计算机科学家，所以他认为世界是一台大计算机，但如果他是一个奶酪商人，他会认为世界是一个大奶酪。当英国计算机科学家斯蒂芬·沃尔夫勒姆（Stephen Wolfram）在他2002年出版的《一种新的科学》（A New Kind of Science）一书中提出类似的想法时，弗雷德金的反应是：“沃尔夫勒姆是第一个相信这些东西的重要人物。我一直很孤独。
然而，事实上，Wolfram 并不是唯一一个探索这些想法的人。虽然弗雷德金本人最初使用“数字物理学”一词，后来又使用“数字哲学”一词，但该主题的现代变体使用了“泛计算主义”和“数字主义”等术语。包括荷兰物理学奖得主杰拉德·特·霍夫特（Gerard 't Hooft）和美国物理学家约翰·惠勒（John Wheeler）在内的研究人员都支持它们，他著名的“从位开始”的说法是对这一假设的精辟表达。
进入量子领域
包括马戈卢斯在内的一些人继续发展该理论的经典版本。其他人则得出结论，经典的计算模型不能解释我们观察到的宇宙的复杂性。根据劳埃德的说法，弗雷德金最初的数字宇宙理论“对经典数字宇宙能够理解量子力学现象存在非常严重的障碍”。但是，将弗雷德金数字物理学的经典计算规则换成量子规则，很多问题就会消失。你可以捕捉到量子宇宙的内在特征，比如在空间中分离的两个量子态之间的纠缠，这是建立在经典思想基础上的理论所无法做到的。
IBM 量子计算机通过计算里程碑
劳埃德在1990年代开始的一系列论文以及2006年的《宇宙编程》一书中都支持这一观点。它最终全面阐述了量子计算规则如何解释已知的物理定律——基本粒子理论、粒子物理学的标准模型，甚至可能是基础物理学的圣杯：引力的量子理论4.
这些提议与最近由英国牛津大学的瑞典哲学家尼克·博斯特罗姆（Nick Bostrom）等人提出的“我们生活在计算机模拟中”的想法截然不同5.数字宇宙假设计算宇宙的基本初始条件和规则是自然产生的，就像传统物理学的粒子和力在大爆炸及其后果中自然产生一样，而模拟假说则认为宇宙都是由一些高度先进的智能外星程序员故意构建的，也许是某种宏大的实验， 甚至作为一种游戏——在劳埃德看来，这是一种难以置信的努力。
数字宇宙的基本概念可能是可以测试的。为了让宇宙由一个微小的普朗克尺度的数据比特系统产生——目前的物理学理论预计会在这个尺度上崩溃——空间和时间必须由离散的、量子化的实体组成。这种粒度时空的影响可能表现在微小的差异中，例如，不同频率的光在数十亿光年内传播所需的时间。然而，要真正确定这个想法，可能需要一个量子引力理论，该理论在宏观尺度上建立了爱因斯坦广义相对论的影响与微观尺度上的量子效应之间的关系。到目前为止，理论家们还没有做到这一点。在这里，数字世界可能只是帮助自己。劳埃德说，引力量子理论的热门路线正逐渐开始看起来更具计算性，例如霍夫特引入的全息原理，该原理认为我们的世界是低维现实的投影。“这些量子数字宇宙的想法似乎有希望能够揭示其中一些谜团，”劳埃德说。
这只是一个非常规故事中的最新转折。弗雷德金本人认为，他缺乏典型的物理学教育，在一定程度上使他能够对这个问题得出自己独特的观点。劳埃德倾向于同意。“我认为，如果他接受过更传统的教育，如果他能晋升并参加标准的物理课程等等，也许他会做不那么有趣的工作。
自然 620， 943-945 （2023）
doi： https://doi.org/10.1038/d41586-023-02646-x
引用
