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時空是連續(xù)的嗎？這是一個哲學問題，也是一個物理學問題。
過去，我們一直以為時空是連續(xù)的。但是標準模型逐漸并不能解釋許多現(xiàn)象，比如質(zhì)量的形成機制、CP不守恒、中微子振蕩、重子不對稱性以及暗物質(zhì)和暗能量的性質(zhì)。因而，超越標準模型的物理學誕生。比如上個世紀誕生的量子力學，就給人們帶來了全新的思路。能量、角動量這些基本單位都是不連續(xù)的，也就是離散的，那么，時空會不會也是離散的？
由大型強子對撞機中的緊湊μ子線圈得到的希格斯玻色子產(chǎn)生時的景象
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“時空是離散的”這一觀點最線誕生于1987年，被稱為圈量子引力（loop quantum gravity）理論。這一理論建立在惠勒-德威特方程的基礎(chǔ)上。惠勒-德威特方程將整個宇宙空間看成波函數(shù)，這個波函數(shù)的演化滿足薛定諤方程。然而這一方程存在諸多問題，因此后來逐漸被淘汰。
那么圈量子引力理論又是什么樣的呢？
圈量子引力理論，又譯回圈量子引力論，英文別名圈引力（loop gravity）、量子幾何學（quantum geometry），由阿貝·阿希提卡、李·斯莫林、卡洛·羅威利等人發(fā)展出來的量子引力理論，與弦理論同是當今將重力量子化最成功的理論。
之所以被稱為圈量子引力理論，是因為這個理論涉及到一個積分，這個積分是沿著時空中的一些小圈進行。而且，該理論采用的并非薛定諤方程，而是采取了海森堡方程的模式，其中需要找到一對正則變量來進行量子化。
在此理論下，時空描述的背景是獨立的，由關(guān)系性循環(huán)織出的自旋網(wǎng)絡(luò)鋪成時空幾何。網(wǎng)絡(luò)中每條邊的長度為普朗克長度。循環(huán)并不存在于時空中，而是以循環(huán)扭結(jié)的方式定義時空幾何。在普朗克尺度下，時空幾何充滿隨機的量子漲落，因此自旋網(wǎng)絡(luò)又稱為自旋泡沫。在此理論下，時空是離散的。
圈量子引力理論中的簡單自旋網(wǎng)絡(luò)形態(tài) 圖源：Wikipedia
在該模型中，最重要的一個結(jié)構(gòu)為四面體，其四個面的面積可以存在量子波動。最新的這項研究發(fā)現(xiàn)，正是通過計算機構(gòu)造了量子四面體。
這項發(fā)表于《自然·物理學通訊》，研究團隊為萬義頓、魯大為、曾蓓組織的華人研究團隊。
現(xiàn)在大熱的量子計算機，是一種使用量子邏輯進行通用計算的設(shè)備。既然是量子計算機，就需要有一個量子系統(tǒng)。在這項工作中，研究人員使用核磁共振量子系統(tǒng)，制備了量子四面體對應的量子態(tài)。
不同于傳統(tǒng)的電子計算機，量子計算用來存儲數(shù)據(jù)的對象是量子比特，它使用量子算法來進行數(shù)據(jù)操作。量子計算機擴展了傳統(tǒng)計算機原有的限制。量子計算機的輸入用一個具有有限能級的量子系統(tǒng)來描述，如二能級系統(tǒng)，也被稱為量子比特（qubits）。
為了獲得量子比特，研究團隊使用了巴豆酸分子進行實驗。它的分子式為C4H6O2，包含4個碳原子，退相干時間很長，適合做量子計算。研究人員表示，他們在室溫下使用700兆赫茲的布魯克核磁共振譜儀，對量子比特進行操控和測量。通過這個4量子比特系統(tǒng)，他們構(gòu)造出一個可以模擬量子四面體的空間。
巴豆酸分子 圖源：Wikipedia
研究人員用碳13標記了這一分子，我們知道，碳原子核的個數(shù)是奇數(shù)，它的核自旋是1/2，核自旋為1/2的碳原子在磁場中發(fā)生能級分裂，形成2能級系統(tǒng)，也就是量子比特。
該實驗不僅僅是制造出量子態(tài)這么簡單。為了驗證圈量子引力理論，研究人員需要驗證其量子四面體的性質(zhì)。從幾何意義上來說，因為四面體是封閉的，所以這個量子態(tài)必須滿足一定的條件，也就是四個角動量算子求和以后，作用到這個量子態(tài)必須等于零。通過依據(jù)這些輸出數(shù)據(jù)，可以檢驗實驗制備量子四面體的角動量是否滿足，算子求和后是不是等于零。
結(jié)果表明，他們用巴豆酸分子制備量子四面體對應的量子態(tài)，四面體角動量算子求和后，的確為零。
這項實驗表明，量子計算機可以模擬量子時空。
此外，這是華人科學家主導的用量子計算機模擬的量子引力。這些進展將促進量子引力推進到實驗室階段。并且為驗證理論，解釋時空的連續(xù)性，提供了進一步的數(shù)據(jù)支撐。
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