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　　时空是连续的吗？这是一个哲学问题，也是一个物理学问题。

　　过去，我们一直以为时空是连续的。但是标准模型逐渐并不能解释许多现象，比如质量的形成机制、CP不守恒、中微子振荡、重子不对称性以及暗物质和暗能量的性质。因而，超越标准模型的物理学诞生。比如上个世纪诞生的量子力学，就给人们带来了全新的思路。能量、角动量这些基本单位都是不连续的，也就是离散的，那么，时空会不会也是离散的？

由大型强子对撞机中的紧凑μ子线圈得到的希格斯玻色子产生时的景象

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　　“时空是离散的”这一观点最线诞生于1987年，被称为圈量子引力（loop quantum gravity）理论。这一理论建立在惠勒-德威特方程的基础上。惠勒-德威特方程将整个宇宙空间看成波函数，这个波函数的演化满足薛定谔方程。然而这一方程存在诸多问题，因此后来逐渐被淘汰。

　　那么圈量子引力理论又是什么样的呢？

　　圈量子引力理论，又译回圈量子引力论，英文别名圈引力（loop gravity）、量子几何学（quantum geometry），由阿贝·阿希提卡、李·斯莫林、卡洛·罗威利等人发展出来的量子引力理论，与弦理论同是当今将重力量子化最成功的理论。

　　之所以被称为圈量子引力理论，是因为这个理论涉及到一个积分，这个积分是沿着时空中的一些小圈进行。而且，该理论采用的并非薛定谔方程，而是采取了海森堡方程的模式，其中需要找到一对正则变量来进行量子化。

　　在此理论下，时空描述的背景是独立的，由关系性循环织出的自旋网络铺成时空几何。网络中每条边的长度为普朗克长度。循环并不存在于时空中，而是以循环扭结的方式定义时空几何。在普朗克尺度下，时空几何充满随机的量子涨落，因此自旋网络又称为自旋泡沫。在此理论下，时空是离散的。

圈量子引力理论中的简单自旋网络形态 图源：Wikipedia

　　在该模型中，最重要的一个结构为四面体，其四个面的面积可以存在量子波动。最新的这项研究发现，正是通过计算机构造了量子四面体。

　　这项发表于《自然·物理学通讯》，研究团队为万义顿、鲁大为、曾蓓组织的华人研究团队。

　　现在大热的量子计算机，是一种使用量子逻辑进行通用计算的设备。既然是量子计算机，就需要有一个量子系统。在这项工作中，研究人员使用核磁共振量子系统，制备了量子四面体对应的量子态。

　　不同于传统的电子计算机，量子计算用来存储数据的对象是量子比特，它使用量子算法来进行数据操作。量子计算机扩展了传统计算机原有的限制。量子计算机的输入用一个具有有限能级的量子系统来描述，如二能级系统，也被称为量子比特（qubits）。

　　为了获得量子比特，研究团队使用了巴豆酸分子进行实验。它的分子式为C4H6O2，包含4个碳原子，退相干时间很长，适合做量子计算。研究人员表示，他们在室温下使用700兆赫兹的布鲁克核磁共振谱仪，对量子比特进行操控和测量。通过这个4量子比特系统，他们构造出一个可以模拟量子四面体的空间。

巴豆酸分子 图源：Wikipedia

　　研究人员用碳13标记了这一分子，我们知道，碳原子核的个数是奇数，它的核自旋是1/2，核自旋为1/2的碳原子在磁场中发生能级分裂，形成2能级系统，也就是量子比特。

　　该实验不仅仅是制造出量子态这么简单。为了验证圈量子引力理论，研究人员需要验证其量子四面体的性质。从几何意义上来说，因为四面体是封闭的，所以这个量子态必须满足一定的条件，也就是四个角动量算子求和以后，作用到这个量子态必须等于零。通过依据这些输出数据，可以检验实验制备量子四面体的角动量是否满足，算子求和后是不是等于零。

　　结果表明，他们用巴豆酸分子制备量子四面体对应的量子态，四面体角动量算子求和后，的确为零。

　　这项实验表明，量子计算机可以模拟量子时空。

　　此外，这是华人科学家主导的用量子计算机模拟的量子引力。这些进展将促进量子引力推进到实验室阶段。并且为验证理论，解释时空的连续性，提供了进一步的数据支撑。

原创稿件

制作 杨枭 中国科学院大学

审校 赵峥 北京师范大学物理系教授