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黑洞计算机

原作者:
Sabine Hossenfelder
法兰克福高等研究院的研究员

想象你逝去之后,体内的原子四逸而开、各觅归处,融入海洋、森林以及其他实体之中。但其实根据量子力学,所有关于你身体组成和功能的信息仍将持续下去。原子之间的关联构建了不可胜数的细节构成了“你”,而这些将永远存在,尽管是以难以辨识的加扰形式——从实际角度可以说已经丢失,可原则上是永存的。

如此确凿的概念却有一个明显的例外:依据我们当前的物理知识,信息无法保存在黑洞中。四十年前,霍金(Stephen Hawking)证明了黑洞可以彻底地以抹除信息。无论什么落入黑洞,相对宇宙的其余部分它就消失了。它在最终时刻从事件视界(黑洞的外部物理边界)发出一股粒子风——“霍金辐射”。黑洞通过这种方式缓慢蒸发,但是这种过程抹除了关于黑洞的信息。辐射的数据仅仅携带了总质量,电荷以及所有物质的角动量。其他的所有坠落物体的细节信息都烟消云散了。

霍金发现的黑洞蒸发给理论物理学家出了个难题:广义相对论说黑洞会抹除信息;量子力学又声称信息永存。广义相对论和量子力学都是经过时间检验的理论,但又显得不可融合。其中的矛盾揭示了诡异的黑洞之外更为基本的东西:信息悖论表明了物理学家仍然不明白自然的基本规律。

然而慕尼黑Ludwig-Maximilians大学物理学教授Gia Dvali认为他找到了答案。“黑洞是量子计算机,”他说。“我们有明确的信息处理步骤。”如果他对了,悖论就解决了,信息确实永存。或许更令人吃惊的是,他提出的概念还具有实际意义。未来,我们或许可以借鉴黑洞物理来建造我们自己的量子计算机。

从黑洞中恢复信息的难点在于它们是几乎没有特征的球体,在视界上基本没有物理属性;正如美国已故物理学家惠勒所说,他们是“无毛的”。如果一个物体没有可以用于编码的特征就无法用来储存信息。这其中存在错误,Dvali说:“所有‘无毛定理’都是错的,”他和合作者认为引力子——至今还未发现的传播引力、构建时空的量子——延伸于整个黑洞,形成“量子毛发”,它允许储存和释放信息。

这项新研究建立在量子理论的反直觉特征之上:量子效应不只是体现在微观世界。的确,量子效应是脆弱的,在温暖嘈杂的环境中很快就会被破坏掉,典型如地球上我们熟悉的环境。这就是我们通常观察不到量子效应的原因。这也是搭建量子计算机的主要挑战,量子计算机使用粒子的量子态来处理信息而不是传统晶体管的开关逻辑门。但是在低温孤立的环境,量子行为可以在很长距离保持——大到足以覆盖数十亿公里的黑洞视界。

你不必去外太空一睹长程量子效应。创建黑洞的量子毛发所需的巨大距离和质量远超我们的实验能力,但通过将原子冷却到低于万分之一开尔文温度(绝对零度以上万分之一度),研究人员将近十亿个原子——长达几毫米的范围——凝聚成单个的量子态。这对于集体量子行为来说已经是巨大的规模了。

这种原子集合——亦即玻色-爱因斯坦凝聚(以Satyendra Bose和Albert Einstein的名字命名,BEC)——是目前建造量子计算机最可能的方案之一。常见的量子效应,比如同时处于两个位置,在玻色-爱因斯坦凝聚状态下可以扩展到整个体系,产生许多互相关联的态。如果研究人员成功地制备稳定的凝聚态并且控制,便可以获得巨大的信息处理能力。而你恐怕没想到,玻色-爱因斯坦凝聚还可能解决数十年来的黑洞信息丢失问题。

Dvali指出霍金的信息难题可以有一个自然的解决方案,关键是假设黑洞本质上是由处于玻色-爱因斯坦凝聚的引力子组成的——就像是重力聚集的水坑。这个想法可能听起来很疯狂,不过在Dvali看来,是个非常合理的结论。在霍金首次提出他的谜语后多年来,物理学家们对黑洞的信息有了更多的了解。理论学家业已知道如何计算黑洞可以存储的信息量:信息的数量通过在黑洞的熵来量化,并与视界面积成正比。他们还发现黑洞可以非常迅速地重组或“加扰”信息。最后,信息必须从黑洞中逃脱以免与量子力学发生冲突。

从2012年开始,Dvali探索了这些不同的属性,并惊讶地发现,某些类型的玻色-爱因斯坦凝聚体与黑洞享有共同的基本性质。为了像黑洞一样,凝聚体需要恰好处于一个转变点——即所谓的量子临界点——此时正在量子行为坍缩之前,延展的涨落会穿过流体。Dvali计算出的这种量子临界凝聚体与黑洞具有相同的熵、加扰能力和释放时间:具有所谓的量子毛发。“你可以说这是巧合,但我认为这是非常有力的证据——属于数学证据——黑洞真的是玻色-爱因斯坦凝聚体”。

将黑洞与实验室中创建的物质形式联系起来意味着可以通过实验在某些方面探索Dvali的想法。慕尼黑马克斯-普朗克研究所的物理学教授Immanuel Bloch有着关于玻色-爱因斯坦凝聚的第一手经验。他把原子聚集在“光晶格”中——通过多个交叉激光束产生的光学晶格——然后使用一种称为荧光成像的技术得到凝聚体的快照。获得的图片优美地展现了原子的关联量子行为。

Bloch觉得Dvali的想法很有意思,尽管这个想法来自一个与他相去甚远领域。“我对Gia Dvali的提议感到非常兴奋,这完全是个新东西。”Bloch说到,“人们已经通过凝聚体相互作用观察到坍缩的过程,但到目前为止还怎么研究过量子临界点附近发生的事情。

“BEC具有宏观量子波函数,意味着量子数会有很多涨落。这就是BEC通常看起来像瑞士奶酪的原因,”他继续道。但是施加磁场可以改变原子相互作用的强度,诱导它们形成有序的格子。”原子相互作用加强,然后进入[非常有序]“莫特态”。这是量子计算的重要状态,你有了这样的正规阵列,接着可以用激光操纵原子,旋转它们并改变自旋[编码和处理信息]。

根据Dvali的说法,黑洞物理学揭示了使用不同的量子态可能是在玻色-爱因斯坦凝聚体中存储信息的更好方式。从这个角度来说,黑洞是物理学家所知道的最简单、紧凑和有效的信息存储设备。因此,使用黑洞的编码协议可能是在基于凝聚体的量子计算机中存储信息的最佳方法。

在实验室中创建一个模拟黑洞的凝聚体并非不可能。“[在一个黑洞中],相互作用强度会自我调整。我们可以将相互作用强度调整到凝聚态坍缩的边缘来模拟类似的东西。越接近量子临界点,涨落变得越来越大。这可以模拟我们需要的系统。人们可以通过原位观测这些凝聚体来研究各种量子涨落和非平衡情况,且有着很高的空间分辨。”

Dvali的想法可行却并不一定实用。“它与领域里的许多其他东西竞争,现在,我还有很多的疑虑。”Bloch还指出,高效的信息存储固然好,但对于量子计算机来说,“信息容量暂时不是问题。”他觉得最大挑战是找到一种方法来操纵Dvali提出的单个量子态——数据处理,而不是数据存储。当然还有其他的障碍。“我们不确定的还有很多,比如噪声,它的稳定性如何呢?我们不知道,”Bloch说,“对我而言,更有意思的是与引力物理学的联系。”这背后的意义远远超出了信息存储。

Dvali并不是最近唯一研究提出引力与凝聚态物质之间存在联系的,这已经成为实验研究的一个全新领域。按照爱因斯坦的传统,物理学家一般认为弯曲的时空是物质及其相互作用的舞台。但现在几个独立的研究方向表明,我们可能小看了“时空”,引力还可以出现在看似与之无关的物理学中。

在过去的几十年中,引力与某些类型的流体之间的广泛联系已经证明,具有集体量子行为的系统可以模仿弯曲的时空,得到与爱因斯坦广义相对论相同的方程。目前,还没有发现可以完全把广义相对论推广到凝聚态的方法,也没有人知道它是否有可能。尽管如此,新发现的联系令物理学家能够通过原子凝聚体模拟引力系统。

用凝聚体模拟引力使得人们能够探索难以达到的区域——例如黑洞视界。因此,虽然霍金辐射从未在真正的黑洞中被观察到,但人们已经测量了其在玻色-爱因斯坦凝聚体系中的类比信号。当然,这些凝聚体并不是真的黑洞——它们捕获声波而不是光——但它们遵循相同的数学规律。这么说来,凝聚态系统实际上执行了相当复杂,甚至棘手的物理计算。

“我们会谈论‘量子模拟’,试着用这些系统来寻找在经典计算机上难以计算的有趣现象,”Bloch说。“我们也试图测试其他系统,比如黑洞,又比如我们在二维系统找到了希格斯粒子[的类比]。”在2012年的一篇自然杂志的论文中,Bloch和合作者报道他们的量子模拟显示了类希格斯粒子也可以存在于二维系统。同样的技术原则上也可以研究与黑洞类比的BEC体系。

借助黑洞物理学开发量子计算机的新协议是一回事,确认宇宙里的黑洞是否真的是引力子的凝聚态是另一回事。“我对无法检验的想法没什么兴趣。”Dvali的宇宙学家同事Stefan Hofmann说道。

Hofmann投入了大量时间来探索黑洞是引力子凝聚态这一观点的实验观测结果。“黑洞无毛定理已经打破了。”他同意Dvali的观点,黑洞视界附近的量子毛发微妙地改变广义相对论的预测(尤其是在黑洞形成或碰撞过程中引力波的发射),其方式应该是可探测的。Hofmann在2015年的研讨会上说,“最理想的是一个二元[黑洞]合并事件”。他的梦想成真了:LIGO团队宣布首次测量到一对黑洞合并发出的引力波。

Hofmann和他的合作者尚未给出定量的预测,可是由于宏观量子效应,Dvali提出的信息丢失问题的解决方案可能很快就会经受实验上的测试。然而,黑洞是引力子的量子临界凝聚体、相当于玻色-爱因斯坦凝聚体的想法,留下了许多问题。首先,Dvali的计算无法解释落入黑洞的物体实际发生了什么。Hofmann也承认,目前还不清楚这个物体是如何融入传统意义上的“黑洞”,因为它无法再在熟悉的广义相对论框架内描述。

马赛大学的Carlo Rovelli认为,即使形式不完整,Davli关于黑洞的想法也是有科学意义的。“他们的近似十分激进,可能无法抓住各个方面,但它可能在某种程度上是符合的,特别是在长波区间。对于[时空]的低频量子涨落,这并不荒谬。”Rovelli说,然而,他提醒说,凝聚态模型“不能作为描述黑洞中的完整描述”。

最后,显而易见的是,这项研究揭示了一种以前未被认识到且成果丰富的关联。“在量子信息和黑洞物理学之间有一座非常有趣的桥梁,以前没有讨论过,”Dvali说。如果他是对的,其意义是相当惊人的。信息确实永存的,如此而言,我们都是不朽的。想想我们银河系中心的超大黑洞,或许它是一个宇宙级量子计算机也说不定?

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