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　　時空是連續的嗎？這是一個(ge) 哲學問題，也是一個(ge) 物理學問題。

　　過去，我們(men) 一直以為(wei) 時空是連續的。但是標準模型逐漸並不能解釋許多現象，比如質量的形成機製、CP不守恒、中微子振蕩、重子不對稱性以及暗物質和暗能量的性質。因而，超越標準模型的物理學誕生。比如上個(ge) 世紀誕生的量子力學，就給人們(men) 帶來了全新的思路。能量、角動量這些基本單位都是不連續的，也就是離散的，那麽(me) ，時空會(hui) 不會(hui) 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(chan) 生時的景象

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　　“時空是離散的”這一觀點最線誕生於(yu) 1987年，被稱為(wei) 圈量子引力（loop quantum gravity）理論。這一理論建立在惠勒-德威特方程的基礎上。惠勒-德威特方程將整個(ge) 宇宙空間看成波函數，這個(ge) 波函數的演化滿足薛定諤方程。然而這一方程存在諸多問題，因此後來逐漸被淘汰。

　　那麽(me) 圈量子引力理論又是什麽(me) 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·羅威利等人發展出來的量子引力理論，與(yu) 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(wei) 圈量子引力理論，是因為(wei) 這個(ge) 理論涉及到一個(ge) 積分，這個(ge) 積分是沿著時空中的一些小圈進行。而且，該理論采用的並非薛定諤方程，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(guan) 係性循環織出的自旋網絡鋪成時空幾何。網絡中每條邊的長度為(wei) 普朗克長度。循環並不存在於(yu) 時空中，而是以循環扭結的方式定義(yi) 時空幾何。在普朗克尺度下，時空幾何充滿隨機的量子漲落，因此自旋網絡又稱為(wei) 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絡形態 圖源：Wikipedia

　　在該模型中，最重要的一個(ge) 結構為(wei) 四麵體(ti) ，其四個(ge) 麵的麵積可以存在量子波動。最新的這項研究發現，正是通過計算機構造了量子四麵體(ti) 。

　　這項發表於(yu) 《自然·物理學通訊》，研究團隊為(wei) 萬(wan) 義(yi) 頓、魯大為(wei) 、曾蓓組織的華人研究團隊。

　　現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備。既然是量子計算機，就需要有一個(ge) 量子係統。在這項工作中，研究人員使用核磁共振量子係統，製備了量子四麵體(ti) 對應的量子態。

　　不同於(yu) 傳(chuan) 統的電子計算機，量子計算用來存儲(chu) 數據的對象是量子比特，它使用量子算法來進行數據操作。量子計算機擴展了傳(chuan) 統計算機原有的限製。量子計算機的輸入用一個(ge) 具有有限能級的量子係統來描述，如二能級係統，也被稱為(wei) 量子比特（qubits）。

　　為(wei) 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(wei) C4H6O2，包含4個(ge) 碳原子，退相幹時間很長，適合做量子計算。研究人員表示，他們(men) 在室溫下使用700兆赫茲(zi) 的布魯克核磁共振譜儀(yi) ，對量子比特進行操控和測量。通過這個(ge) 4量子比特係統，他們(men) 構造出一個(ge) 可以模擬量子四麵體(ti) 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(men) 知道，碳原子核的個(ge) 數是奇數，它的核自旋是1/2，核自旋為(wei) 1/2的碳原子在磁場中發生能級分裂，形成2能級係統，也就是量子比特。

　　該實驗不僅(jin) 僅(jin) 是製造出量子態這麽(me) 簡單。為(wei) 了驗證圈量子引力理論，研究人員需要驗證其量子四麵體(ti) 的性質。從(cong) 幾何意義(yi) 上來說，因為(wei) 四麵體(ti) 是封閉的，所以這個(ge) 量子態必須滿足一定的條件，也就是四個(ge) 角動量算子求和以後，作用到這個(ge) 量子態必須等於(yu) 零。通過依據這些輸出數據，可以檢驗實驗製備量子四麵體(ti) 的角動量是否滿足，算子求和後是不是等於(yu) 零。

　　結果表明，他們(men) 用巴豆酸分子製備量子四麵體(ti) 對應的量子態，四麵體(ti) 角動量算子求和後，的確為(wei) 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。並且為(wei) 驗證理論，解釋時空的連續性，提供了進一步的數據支撐。



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