糾纏的量子位：探索黑洞的奧秘！

導讀

近日，美國加州大學伯克利分校等科研機構的物理學家們採用一台具有七個量子位的量子計算機，模擬黑洞內部置亂的信息。這預示著未來糾纏的量子位可用於探測這些奇幻物體的內部秘密。

背景

根據愛因斯坦的廣義相對論，宇宙中存在著一種神秘而奇特的天體。它的密度極大，體積卻極小。它能扭曲時空，讓時間靜止，吞噬所有的光線。它就是黑洞。黑洞是由質量足夠大的恆星在核聚變反應的燃料耗盡而死亡後，發生引力坍縮產生的。

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超大質量黑洞的藝術圖（圖片來源：NASA/JPL-Caltech）

黑洞周圍存在著一種時空的曲隔界線，科學家們稱之為"事件視界（event horizon）"。視界中的任何事件，都無法對視界外的觀察者產生影響。根據廣義相對論，在遠離視界的外部觀察者眼中，任何從視界外部接近視界的物體，將須要用無限長的時間到達視界面，其影像會經歷無止境逐漸增強的紅移；但該物件本身卻不會感到任何異常，並會有限時間之內穿過視界。

當物質經過事件視界掉進黑洞中消失時，混亂就產生了。有關物質的信息（其所有成分的特徵，比如其最基本粒子的能量與動量）與黑洞內部其他的物質以及信息混雜在一起，似乎是無法檢索的。

可量子力學卻認為：信息永遠不會丟失，即使是信息在黑洞內部消失的時候。這就導致了所謂的「黑洞信息悖論（black hole information paradox）」

因此，一些物理學家們宣稱，穿過事件視界掉進黑洞中的信息將永遠消失；另一些物理學家們則認為，這種信息能被重建，只是需要等待很長時間，直到黑洞縮小為其原始尺寸的一半。黑洞縮小，是因為它們發出霍金輻射。霍金輻射是由黑洞邊緣的量子力學波動引起的，並以現代物理學家斯蒂芬霍金的名字命名。

不幸地是，一個如同我們太陽質量大小的黑洞需要花費10^67年才能蒸發掉，這遠遠大於宇宙的年齡。

創新

然而，有一種」漏洞「可以讓物質從黑洞中出來，更確切地說它就是蟲洞。它可能會檢索到這種正在落入的信息，而且速度比測量黑洞及其霍金輻射之間微弱的「糾纏」要快得多。

科學家們設想的蟲洞旅行（圖片來源：維基百科）

兩個比特的信息（比如量子計算機中的量子位）聯繫得非常緊密，以至於其中一個的量子狀態自動地決定另外一個量子狀態，無論它們相隔有多遙遠。此時，這兩個量子位就是糾纏的。物理學家們稱之為「幽靈般的超距作用」，測量糾纏的量子位，會導致一個量子位的量子信息「隱形傳輸」至另一個量子位。

（圖片來源：Christoph Hohmann / 慕尼黑納米系統研究）

美國加州大學伯克利分校物理系助理教授 Norman Yao 表示：「一個人可以通過對黑洞發出的霍金光子進行大量量子計算，從而恢復掉進黑洞中的信息。這被認為真的很難。但是，如果量子力學值得相信，從原則上說，它是可以實現的。這正是我們此時此地所做的，但卻是通過一台七量子位量子計算機中微型的三量子位『黑洞』。」

通過將糾纏的量子位扔進黑洞，並研究出現的霍金輻射，你可以從理論上判斷出黑洞中的量子位狀態，好像為黑洞開了一扇窗。

下圖所示：你可以從黑洞中提取信息嗎？作為思想實驗的一部分，物理學家 Alice 將一個量子位扔進黑洞，並詢問Bob能否僅使用霍金輻射重構出量子位。

（圖片來源：Emily Elisa Edwards/馬里蘭大學）

Yao 以及來自馬里蘭大學和加拿大安大略省沃特盧的普里美特理論物理研究所的同事們，在3月6日的《自然（Nature）》期刊上的一篇論文中報告了他們的成果。

下圖所示：馬里蘭大學物理系們構造的一台七量子位的量子計算機電路，採用量子隱形傳輸來檢測信息的置亂。這類似於讓信息通過一個「可穿越時空」的蟲洞，使得Bob可以識別Alice扔進黑洞中的量子位。

（圖片來源：Emily Elisa Edwards/馬里蘭大學）

技術

Yao 感興趣的是理解量子混沌的天性。Yao 向他的朋友和同事 Beni Yoshida（圓周理論物理研究所的一名理論學家）學到了：「如果信息在黑洞內被迅速地置亂，那麼掉進黑洞的信息是可以恢復的」。信息通過黑洞混亂得越徹底，那麼通過隱形傳輸檢索到的信息就越可靠。基於這樣的洞見，Yoshida 和 Yao 去年提議了一個實驗，在量子計算機上證明性演示了這種置亂。

Yao 表示：「通過我們的協議，如果你測量到一個保真度足夠高的隱形傳輸，那麼你就可以保證在量子電路中發生了置亂。所以，然後我們給我的好友 Chris Monroe 打了電話。」

Monroe 是馬里蘭大學帕克分校的一名物理學家，他領導著一個世界領先的「囚禁離子」量子信息課題組。他決定嘗試一下。他的課題組實現了由 Yoshida 和 Yao 提出來的協議，並有效地測量到了一種「超越時間順序」的相關功能。

這些奇異的相關功能稱為「OTOC」，是通過比較兩種按照不同時序施加特定擾亂的量子狀態來創造的。它的關鍵是在時間中讓量子狀態既可前進也可後退，從而理解第二次擾亂對於第一次擾亂產生的作用。

Monroe 的課題組創造出一種置亂的量子電路，它位於「囚禁離子」的七量子位量子計算機中的三個量子位上，並且描述了OTOC產生的衰退。OTOC的衰退通常被認為是混亂產生的強烈暗示。因此，這也證明了他們必須說明OTOC不會因為「消相干」而簡單的衰退。也就是說，這並不僅是較差地屏蔽外面世界的雜訊（這些雜訊也會引起量子狀態的崩潰）。

Yao 和 Yoshida 證明了這樣的觀點：他們可以檢索的「糾纏」或者「隱形傳輸」的信息準確度越高，他們就可以越嚴格地為在OTOC中產生的混亂量設定更低的限制。

Monroe 及其同事們測量到一種可達約80%的隱形傳輸保真率，意味著一半的量子狀態可能是混亂的，而另一半會由於消相干而衰退。儘管如此，這足以證明真正的混亂髮生在三量子位的量子電路中。

價值

Yao 表示：「我們協議的一種可能應用，就是與量子計算機的基準測試相關。我們可能會採用這種技術診斷量子處理器中更為複雜的噪音和消相干形式。」

Yao 也正與加州大學伯克利分校 Irfan Siddiqi 領導的課題組展開合作，演示一個不同的量子系統中的置亂。這個量子系統就是超導三態量子位（qutrit）：量子位具有三個狀態而不是兩個。加州大學伯克利分校教授 Siddiqi 也領導著在勞倫斯伯克利國家實驗室展開的研究，致力於構建一個高級的量子計算試驗台。

他說：「其核心就是一個量子位或者三態量子位實驗，但是我們可以將它與宇宙學關聯起來，因為我們相信量子信息的動力學是相同的。美國正在發起一個十億美元的量子計劃，對於量子信息動力學的理解聯繫著這一計劃中的許多不同領域，例如量子電路和計算、高能物理、黑洞動力學、凝聚態物理、原子物理、分子物理和光學物理。對於我們理解所有這些不同的系統來說，量子信息的語言已經變得無處不在。」

關鍵字

量子、物理、宇宙

參考資料

【1】https://news.berkeley.edu/2019/03/06/can-entangled-qubits-be-used-to-probe-black-holes/

【2】K. A. Landsman, C. Figgatt, T. Schuster, N. M. Linke, B. Yoshida, N. Y. Yao & C. Monroe. Verified quantum information scrambling. Nature, 2019 DOI: 10.1038/s41586-019-0952-6

【3】Beni Yoshida, Norman Y. Yao. Disentangling Scrambling and Decoherence via Quantum Teleportation. Physical Review X, 2019; 9 (1) DOI: 10.1103/PhysRevX.9.011006

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