圖片來(lái)源：Olena Shmahalo/Quanta Magazine
來(lái)源 | quanta magazine
撰文 | Philip Ball
翻譯 | 楊心舟
現(xiàn)在，一項(xiàng)野心勃勃的實(shí)驗(yàn)正在開(kāi)展。實(shí)驗(yàn)首先要選取一個(gè)黑洞，然后再制造一個(gè)和其具有量子糾纏的黑洞。這意味著，無(wú)論這兩個(gè)黑洞距離多么遙遠(yuǎn)，當(dāng)任何事情發(fā)生在其中一個(gè)黑洞時(shí)，另一個(gè)黑洞也會(huì)受到影響。
將一些編碼成量子顆粒的信息送到第一個(gè)黑洞，這一部分聽(tīng)起來(lái)很簡(jiǎn)單，但似乎又很奇怪。當(dāng)這些信息經(jīng)過(guò)事件視界（連光都不能逃逸的位置）時(shí)，這些信息會(huì)迅速隨著墜入黑洞而被破壞，幾乎不可能再接收到信息。
但是不用著急，如果你將兩個(gè)黑洞正確地連接到一起時(shí)，只需要一會(huì)這些量子信息就會(huì)出現(xiàn)在第二個(gè)黑洞中，并且能夠被完全讀取出來(lái)。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，實(shí)驗(yàn)需要一個(gè)能連接兩個(gè)黑洞的時(shí)空捷徑，那就是蟲(chóng)洞。
至少，物理學(xué)家預(yù)測(cè)這是能發(fā)生的?，F(xiàn)在，來(lái)自加州理工學(xué)院的Sepehr Nezami團(tuán)隊(duì)提出了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的實(shí)驗(yàn)計(jì)劃，并且正與相關(guān)同事一起測(cè)試他們的想法。如果他們能證實(shí)之前的預(yù)測(cè)，那么這項(xiàng)工作就能引導(dǎo)物理學(xué)家尋找物理學(xué)中最難理論的答案：一個(gè)可以將量子理論和描述引力的廣義相對(duì)論結(jié)合的理論。除此之外，這項(xiàng)理論還能支持另一種想法，即時(shí)空是由粒子通過(guò)量子糾纏作用，交織在一起產(chǎn)生的。
正如你預(yù)期的那樣，這個(gè)實(shí)驗(yàn)用不上通常意義上的黑洞，比如超大質(zhì)量恒星由于自身引力坍縮形成的超小體積黑洞。研究人員表示，這個(gè)實(shí)驗(yàn)只要在儀器上使用幾個(gè)原子或者離子就能完成。同時(shí)，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)也能解決一個(gè)黑洞中懸而未決的問(wèn)題，那就是黑洞摧毀信息的過(guò)程是不可逆的嗎？
目前人們普遍認(rèn)為，包括能量在內(nèi)的信息需要遵循守恒定律，即宇宙中所有信息的總量應(yīng)該是固定不變的。這也如同量子理論所闡述的一樣，用于描述量子的波函數(shù)通常都是平滑演化的，這能保證信息完好地保存而不會(huì)突然消失。
但黑洞看起來(lái)確實(shí)正在從宇宙中移除信息，當(dāng)一個(gè)量子比特墜入了黑洞，那么在事件視界之外是不能再被觀測(cè)得到的。
想要解決這種“黑洞信息悖論”，其中一種辦法就是尋找從事件視界釋放出來(lái)的輻射。斯蒂芬·霍金曾于上世紀(jì)七十年代預(yù)測(cè)，“霍金輻射”會(huì)使得黑洞失去質(zhì)量。這種情況下，黑洞并不是永恒的，它們會(huì)緩慢地蒸發(fā)殆盡。
霍金一開(kāi)始認(rèn)為，即使黑洞通過(guò)這種形式最終蒸發(fā)消失了，它所吞噬的信息也不會(huì)再回來(lái)。但是反德西特時(shí)空/共形場(chǎng)論對(duì)偶（AdS/CFT對(duì)偶）指出，霍金輻射中的光子能夠編碼一些反映黑洞內(nèi)部的信息，這樣來(lái)說(shuō)，大部分信息其實(shí)又返回到了宇宙之中。
AdS/CFT對(duì)偶理論是由理論物理學(xué)家胡安·馬爾達(dá)西那（Juan Maldacena）于1997年提出來(lái)的，其被認(rèn)為是能為探索量子引力理論指引方向最有潛力的理論之一。馬爾達(dá)西那對(duì)偶理論認(rèn)為，在四維空間中的時(shí)空結(jié)構(gòu)，等價(jià)于在三維邊界上的量子理論。
這種聯(lián)系有點(diǎn)奇怪和深?yuàn)W，但又非常讓人驚訝。該理論指出，如果你通過(guò)帶有特殊曲率（或者說(shuō)引力）的反德西特空間構(gòu)建時(shí)空（即Ads部分），那該時(shí)空的數(shù)學(xué)描述和量子領(lǐng)域中共形場(chǎng)論（即CFT部分）在低一個(gè)維度的描述是一致的。換句話說(shuō)，這種一致性更像一種全息投影，即高維度的時(shí)空信息是由低緯度的量子交互所編碼的。這種“全息理論”是由諾貝爾獎(jiǎng)獲得者Gerard ’t Hooft首次提出的，而馬爾達(dá)西那提出的AdS/CFT對(duì)偶則讓人首次看到了時(shí)空運(yùn)作的另一種奇特形式。
那么從這種觀點(diǎn)看來(lái)，在反德西特宇宙中的連續(xù)空間可以在共形場(chǎng)論的量子糾纏中顯現(xiàn)出來(lái)。馬爾達(dá)西那表示，“時(shí)空應(yīng)該在一個(gè)充滿量子比特的系統(tǒng)中出現(xiàn)，在這個(gè)系統(tǒng)中量子會(huì)高度的糾纏和相互作用?！睋Q言之，量子糾纏能產(chǎn)生一個(gè)能擁有引力的時(shí)空。因此，你也可以說(shuō)，引力會(huì)從量子效應(yīng)中快速產(chǎn)生。
那么這些理論和黑洞有什么關(guān)系呢？黑洞信息難題主要就是想知道進(jìn)入黑洞的信息究竟發(fā)生了什么。AdS/CFT對(duì)偶則是解答該難題的關(guān)鍵，因?yàn)樗С至肆孔蛹m纏可以反映霍金輻射信息的想法，這樣信息不會(huì)永久地消失。
2004年，在假設(shè)AdS/CFT對(duì)偶理論成立的基礎(chǔ)上，霍金認(rèn)為我們能夠通過(guò)捕捉黑洞壽命周期中每一個(gè)來(lái)自霍金輻射的光子，以此來(lái)恢復(fù)信息。美國(guó)加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的Norman Yao解釋道，“假設(shè)你是上帝，當(dāng)你收集了所有的霍金輻射光子后，即使不用上帝能力，也能通過(guò)量子比特來(lái)計(jì)算獲得信息。”
直到黑洞蒸發(fā)一半的時(shí)間點(diǎn)之前，里面的信息是無(wú)法破解的。但過(guò)了這個(gè)臨界點(diǎn)，黑洞就會(huì)開(kāi)始通過(guò)霍金輻射開(kāi)始顯現(xiàn)其中的信息。因此，在可以獲取信息前，我們需要等待很長(zhǎng)一段時(shí)間。而根據(jù)阿爾伯塔大學(xué)物理學(xué)家Don Page于1993年提出的假設(shè)，信息會(huì)以一個(gè)不變的速率釋放出來(lái)。
但在2007年，Patrick Hayden 和John Preskill對(duì)此描述進(jìn)行了修訂，他們指出，實(shí)際上在超過(guò)了一半的時(shí)間點(diǎn)后，信息釋放的速度要快很多。更奇怪的是，一旦黑洞蒸發(fā)超過(guò)一半，當(dāng)更多量子比特信息進(jìn)入黑洞時(shí)，“幾乎會(huì)立即反彈回來(lái)，”Yao表示。這是因?yàn)榈搅诉@個(gè)階段，黑洞與釋放出來(lái)的霍金輻射之間成為了一種量子糾纏狀態(tài)，這意味著黑洞吞噬進(jìn)去的信息會(huì)立即高效地轉(zhuǎn)變成接下來(lái)要釋放出的輻射。Hayden和Preskill表示，“此刻開(kāi)始，黑洞就表現(xiàn)得像一面帶有信息的鏡子?！?/p>
Hayden和Preskill也認(rèn)為黑洞熱力學(xué)和量子信息理論之間的聯(lián)系可以激起一種被稱(chēng)作量子加擾的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象就好比將熱量均勻分布到一個(gè)系統(tǒng)中，最終達(dá)到平衡。你可以想象一下創(chuàng)造兩個(gè)包含能量的系統(tǒng)，讓它們互相接觸。接著兩個(gè)系統(tǒng)中的能量會(huì)相互傳遞，直到它們無(wú)法恢復(fù)到一開(kāi)始的狀態(tài)，你也無(wú)法將它們區(qū)分開(kāi)來(lái)。
量子加擾本質(zhì)上也是相同的，但是要更強(qiáng)。即使你能觀察兩個(gè)加擾系統(tǒng)的聯(lián)系，你仍然無(wú)法區(qū)分兩個(gè)加擾系統(tǒng)?！凹訑_就好比一種非常強(qiáng)的熱平衡化，”Yao表示，“這讓量子信息不再局限在某個(gè)區(qū)域?！?/p>
“這種現(xiàn)象可以比作量子洗牌，”斯坦福大學(xué)的物理學(xué)家Adam Brown說(shuō)，“假如你拿了一副有序的撲克牌，當(dāng)你洗牌了之后，里面有沒(méi)有任何可以模式可以描述這些卡牌了。但這不是說(shuō)你賦予了整副卡牌完全的隨機(jī)性，而只能說(shuō)這些卡牌充分的搭配混合，想要判斷它們不是隨機(jī)的會(huì)非常復(fù)雜。這比天然的隨機(jī)性發(fā)生要更快?！?/p>
Christopher Monroe實(shí)驗(yàn)室里用于控制原子基礎(chǔ)量子比特的激光器。（圖片來(lái)源：Christopher Monroe group at the University of Maryland）
“幾乎所有的多體量子系統(tǒng)都會(huì)逐漸走向加擾，”他補(bǔ)充道。但是黑洞是特殊的。整副牌的洗牌速率完全由你的洗牌技術(shù)來(lái)決定，量子系統(tǒng)的加擾率也完全依賴(lài)粒子相互作用的細(xì)節(jié)條件，而這些細(xì)節(jié)在數(shù)學(xué)上由哈密頓算子來(lái)描述。而當(dāng)哈密頓算子運(yùn)用在黑洞中時(shí)，就意味著這些細(xì)節(jié)會(huì)讓量子信息以最快的速度加擾。
而這也就引導(dǎo)出了Hayden 和 Preskill所研究出的的結(jié)論，黑洞就像一個(gè)快速量子加擾回路一樣運(yùn)作，一旦它和自身的霍金輻射相互糾纏時(shí)，任何進(jìn)入黑洞的新信息就會(huì)馬上出現(xiàn)在輻射之中。
同樣，你就必須得等到黑洞開(kāi)始和霍金輻射糾纏得足夠充分才能獲取信息，而這個(gè)節(jié)點(diǎn)就是黑洞蒸發(fā)到一半的時(shí)候。
但是其實(shí)還有另一種能更快獲取信息的方法：讓黑洞和其它的物體進(jìn)行最大程度的糾纏，比如另一個(gè)黑洞。這是哈佛大學(xué)的Ping Gao 和Daniel Jafferis于2006年所提出來(lái)的想法，他們倆也曾與普林斯頓大學(xué)的Aron Wall一起合作。如果能以這種方式讓一對(duì)黑洞相互糾纏，那么第一個(gè)黑洞所吞噬的量子比特將會(huì)出現(xiàn)在第二個(gè)黑洞中。Gao和同事們也進(jìn)一步提出，這種糾纏能在兩個(gè)黑洞之間傳輸量子信息。這也等同于常說(shuō)的量子隱形傳態(tài)，當(dāng)這種過(guò)程發(fā)生在兩個(gè)糾纏粒子之間時(shí)，可以將一個(gè)粒子的量子態(tài)傳輸給另一個(gè)粒子。被傳輸?shù)牧Ｗ訒?huì)和傳輸源粒子看起來(lái)一模一樣，實(shí)際上，你都無(wú)法判斷它們不是同一個(gè)粒子?！皟烧咧g的糾纏就像信息之間的橋梁一樣，”Yao表示。
如果AdS/CFT對(duì)偶理論是對(duì)的，那么這些實(shí)驗(yàn)就不只是一些實(shí)驗(yàn)室類(lèi)比黑洞的操作，而是能夠等同于真實(shí)黑洞系統(tǒng)的。
“動(dòng)態(tài)黑洞中的系統(tǒng)能夠允許時(shí)間維度上的隱形傳態(tài)速度達(dá)到最快，”Yao解釋道。這是因?yàn)檫M(jìn)入任何一個(gè)黑洞的信息都會(huì)迅速地與其中的所有粒子共享，而這些粒子又與第二個(gè)黑洞相互糾纏，所以第二個(gè)黑洞也能以最快的速度獲取信息。
量子隱形傳態(tài)已經(jīng)用實(shí)驗(yàn)展示了很多次，并且已經(jīng)用于量子設(shè)備之間加密信息的傳輸。但是，它不能即時(shí)地傳送信息，因?yàn)樾盘?hào)沒(méi)有解碼，看起來(lái)是隨機(jī)的，它仍然需要一些傳統(tǒng)機(jī)制上的額外信息。這就意味著這些信號(hào)不能超光速傳輸。“這就是為什么Gao和他的同事們想要讓黑洞配對(duì)，除了讓兩個(gè)黑洞糾纏，還需要一些其他方法的原因，”曾經(jīng)在Hayden實(shí)驗(yàn)室的博士生Nezami表示，“在糾纏的幫助下，兩個(gè)黑洞間可以傳輸關(guān)鍵的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)，從一個(gè)黑洞向另一個(gè)傳輸信號(hào)?！?/p>
至少在量子信息理論學(xué)家看來(lái)，這一過(guò)程是這樣的。但根據(jù)AdS/CFT對(duì)偶理論基于廣義相對(duì)論的描述，兩個(gè)黑洞之間由于相互糾纏而形成的通道，應(yīng)該與在時(shí)空中連接兩個(gè)黑洞的蟲(chóng)洞是相同的。從這個(gè)觀點(diǎn)來(lái)說(shuō)，量子比特進(jìn)入一個(gè)黑洞后，會(huì)沿著蟲(chóng)洞進(jìn)入另一個(gè)黑洞。
通常情況下，廣義相論允許的蟲(chóng)洞被認(rèn)為是不能穿越的，你不能在蟲(chóng)洞間傳輸任何東西。但是Gao，Jafferis和Wall就展示出，量子信息理論和隱形傳態(tài)如何能被用于制造一個(gè)可穿越的蟲(chóng)洞。
在AdS/CFT對(duì)偶理論成立的情況下，客觀來(lái)說(shuō)就能允許劇烈的變化。理論上，研究人員可以通過(guò)以正確地方式來(lái)糾纏量子回路，來(lái)建立一個(gè)與連接著蟲(chóng)洞的黑洞一樣的系統(tǒng)，這樣就能在兩者之間傳輸量子比特。
Nezami和Brown同斯坦福大學(xué)、馬里蘭大學(xué)和其它科研機(jī)構(gòu)一起想出了實(shí)現(xiàn)該設(shè)想的計(jì)劃。想要讓一群量子粒子像黑洞一樣運(yùn)作，只需要在它們的相互作用中分配一個(gè)哈密頓算子，能讓它們擁有極快的加擾速率。
其實(shí)，量子加擾在去年才首次以非模糊的方式展示出來(lái)。在采納了Yao等人的實(shí)驗(yàn)計(jì)劃后，馬里蘭大學(xué)的Christopher Monroe和他的同事利用電捕獲離子（量子態(tài)是糾纏的）構(gòu)建了一個(gè)量子回路。在現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，一些無(wú)規(guī)則的過(guò)程是很難觀測(cè)到加擾現(xiàn)象的，比如經(jīng)典噪聲和量子退相干。就像加擾一樣，量子退相干也是從粒子的相互作用和隨之發(fā)生的糾纏中產(chǎn)生的，這種情況下，環(huán)境中的粒子會(huì)圍繞著量子系統(tǒng)。隨著退相干過(guò)程，信息會(huì)泄漏到環(huán)境中最后丟失掉。由于我們不能完全避免量子退相干，因此這也成為了量子計(jì)算機(jī)的一大困擾：任何量子計(jì)算必須在量子退相干損壞信息之前完成。
Christopher Monroe
一般來(lái)說(shuō)，量子退相干要比量子加擾發(fā)生得更快，因此我們很難清晰地觀測(cè)到后者。Monroe團(tuán)隊(duì)則想到了區(qū)分兩種現(xiàn)象的方法，首先讓7對(duì)鐿離子排成一排，然后組成回路，此時(shí)每一個(gè)離子像一個(gè)量子比特運(yùn)作，然后再將兩個(gè)量子隱形傳態(tài)算法編碼到這個(gè)回路中。那么在量子計(jì)算中，這一過(guò)程就會(huì)將單個(gè)的量子比特從一排離子的末端傳到另一排。為了檢測(cè)量子加擾的速率，研究人員會(huì)根據(jù)算法向前或反推的演化來(lái)比較隱形傳態(tài)過(guò)程。
在沒(méi)有量子加擾的情況下，這兩種演化過(guò)程是相聯(lián)系的。但隨著量子加擾開(kāi)始散布那些一開(kāi)始編碼在其它量子比特中的信息，朝前和反推的計(jì)算結(jié)果相關(guān)性就會(huì)越來(lái)越低：整個(gè)系統(tǒng)已經(jīng)改變了它的原始狀態(tài)，因此量子隱形傳態(tài)是不能精確地反推實(shí)現(xiàn)的?！暗绻麅蓚€(gè)過(guò)程具有相關(guān)性，那就說(shuō)明幾乎沒(méi)發(fā)生什么事情，”Monroe表示，“但量子加擾的出現(xiàn)，會(huì)讓這種相關(guān)性逐漸變成0?！边@也是他們隨著時(shí)間變化所觀測(cè)到的。
Brown和同事認(rèn)為，像這樣的量子回路就能用來(lái)構(gòu)建Gao，Jafferis和Wall所想的那種可穿越蟲(chóng)洞。在Brown等人設(shè)想的版本中，兩個(gè)黑洞都只需要幾個(gè)量子比特組成，這樣能最大程度地彼此相互糾纏。他們計(jì)劃往這兩組量子比特中引入更多的相互作用，這樣就能滿足Gao等人在量子隱形傳態(tài)中需要的額外通道。
直覺(jué)告訴我們，用電磁捕獲的少數(shù)離子不可能和一顆連光都無(wú)法逃脫的坍縮恒星一樣。但這也是最讓人震驚的，如果AdS/CFT對(duì)偶理論是對(duì)的，那么這些就不再是實(shí)驗(yàn)室的黑洞類(lèi)似物，這些系統(tǒng)與黑洞就是相同的。在反德西特空間中，這些離子就會(huì)和一些極小的黑洞看起來(lái)一樣。
Swingle在去年10月和Monroe的一次對(duì)話中，也描述了他的類(lèi)蟲(chóng)洞量子回路。Monroe認(rèn)為這種回路多少就類(lèi)似他們?cè)脕?lái)展示量子加擾的回路。Monroe也曾注意到Hayden和Preskill想要利用量子糾纏從黑洞中恢復(fù)信息的想法，但他表示他的團(tuán)隊(duì)僅僅選用了他們的回路來(lái)展示量子加擾，并沒(méi)有考慮它和引力之間的聯(lián)系。
如果Swingle和同事修正過(guò)的量子回路能被建造出來(lái)，那么就能更直觀地展示Monroe所預(yù)測(cè)的效應(yīng)。這能實(shí)現(xiàn)嗎？“那是肯定的，”Monroe說(shuō)。科學(xué)家有望看見(jiàn)，當(dāng)一個(gè)量子比特的信息被一個(gè)黑洞類(lèi)型的量子系統(tǒng)吞噬，并看起來(lái)消失時(shí)。它又會(huì)在一段時(shí)間后，在沒(méi)有被加擾的情況下經(jīng)過(guò)蟲(chóng)洞出現(xiàn)在另一組量子系統(tǒng)中。讓人驚訝的也不是信息在兩個(gè)系統(tǒng)中成功傳輸了，而是信息能以可讀的形式再次出現(xiàn)了，盡管信息在第一個(gè)黑洞中經(jīng)歷了完全的加擾。
到了這一階段，這些使用量子回路的實(shí)驗(yàn)就有望創(chuàng)立一個(gè)由廣義相對(duì)論描述的簡(jiǎn)單時(shí)空模型。“如果目標(biāo)是獲得一個(gè)愛(ài)因斯坦方程主導(dǎo)的時(shí)空，”Maldacena說(shuō)，“那么能產(chǎn)生這個(gè)時(shí)空的系統(tǒng)將會(huì)非常特殊，并且就會(huì)在實(shí)驗(yàn)室里被制造出來(lái)。”但是他也補(bǔ)充道，“所有這些科學(xué)家都是為了能創(chuàng)建一個(gè)足夠復(fù)雜的系統(tǒng)，讓里面能有一些引力的特征，現(xiàn)在確實(shí)有望實(shí)現(xiàn)?！?/p>
如果這些實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與預(yù)期相同，那么是否也就說(shuō)明了AdS/CFT對(duì)偶理論是正確的呢？這就仁者見(jiàn)仁智者見(jiàn)智了。對(duì)這些量子回路的理論分析中，還沒(méi)有一個(gè)回路能完全符合標(biāo)準(zhǔn)量子理論。但其實(shí)這是一種更簡(jiǎn)單和經(jīng)濟(jì)的方式來(lái)描述引力：一條蟲(chóng)洞通道?！氨M管你能用薛定諤方程來(lái)解釋這些現(xiàn)象，但是還有著更簡(jiǎn)單的解釋來(lái)描述黑洞，”Brown說(shuō)。
Swingle也問(wèn)到，是不是物理學(xué)的目標(biāo)就是尋找這樣一個(gè)經(jīng)濟(jì)的描述方法，并且用其來(lái)解讀現(xiàn)實(shí)呢？比如，你可以用電子波函數(shù)來(lái)描述超導(dǎo)現(xiàn)象（另一種量子現(xiàn)象）。但實(shí)際上用準(zhǔn)粒子來(lái)描述超導(dǎo)就要簡(jiǎn)單很多，在這里相當(dāng)于將成對(duì)的庫(kù)珀對(duì)比作了糾纏的電子。既然我們沒(méi)有質(zhì)疑準(zhǔn)粒子的真實(shí)性，那么我們?yōu)槭裁椿厝シ裾J(rèn)量子比特蟲(chóng)洞的真實(shí)性呢？
就此而言，“在觀測(cè)原子時(shí)，我們可能學(xué)習(xí)到了和原子無(wú)關(guān)的東西，而黑洞也是一樣，”Monroe說(shuō)。他們更有野心的目標(biāo)是利用多量子比特系統(tǒng)來(lái)揭示時(shí)空的屬性?！叭绻芡瓿蛇@些實(shí)驗(yàn)，我們就可能創(chuàng)立更加復(fù)雜的糾纏系統(tǒng)，也可以在量子系統(tǒng)中檢測(cè)多方位的時(shí)空起源，”馬爾達(dá)西那說(shuō)。
而對(duì)于這些實(shí)驗(yàn)的前景，Swingle說(shuō)他正和許多實(shí)驗(yàn)學(xué)家討論，將量子加擾回路應(yīng)用到上面這些前衛(wèi)和激進(jìn)的想法中，盡管目前還需要更詳實(shí)的計(jì)劃。但能有這些對(duì)話就已經(jīng)是一個(gè)新的里程碑了，“在這里，研究量子引力的理論物理學(xué)家會(huì)和研究實(shí)驗(yàn)原子的物理學(xué)家進(jìn)行討論，”Brown說(shuō)，“就迄今為止的物理研究分類(lèi)來(lái)講，這兩個(gè)研究方向已經(jīng)相隔非常遠(yuǎn)。因此這是一種新現(xiàn)象，也是一種好現(xiàn)象。”
原文鏈接：
https://www.quantamagazine.org/wormholes-reveal-a-way-to-manipulate-black-hole-information-in-the-lab-20200227/
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