黑洞計算機
原作者：
Sabine Hossenfelder
法蘭克福高等研究院的研究員
想像你逝去之後，體內的原子四逸而開、各覓歸處，融入海洋、森林以及其他實體之中。但其實根據量子力學，所有關於你身體組成和功能的信息仍將持續下去。原子之間的關聯構建了不可勝數的細節構成了「你」，而這些將永遠存在，儘管是以難以辨識的加擾形式——從實際角度可以說已經丟失，可原則上是永存的。
如此確鑿的概念卻有一個明顯的例外：依據我們當前的物理知識，信息無法保存在黑洞中。四十年前，霍金(Stephen Hawking)證明了黑洞可以徹底地以抹除信息。無論什麼落入黑洞，相對宇宙的其餘部分它就消失了。它在最終時刻從事件視界(黑洞的外部物理邊界)發出一股粒子風——「霍金輻射」。黑洞通過這種方式緩慢蒸發，但是這種過程抹除了關於黑洞的信息。輻射的數據僅僅攜帶了總質量，電荷以及所有物質的角動量。其他的所有墜落物體的細節信息都煙消雲散了。
霍金髮現的黑洞蒸發給理論物理學家出了個難題：廣義相對論說黑洞會抹除信息;量子力學又聲稱信息永存。廣義相對論和量子力學都是經過時間檢驗的理論，但又顯得不可融合。其中的矛盾揭示了詭異的黑洞之外更為基本的東西：信息悖論表明了物理學家仍然不明白自然的基本規律。
然而慕尼黑Ludwig-Maximilians大學物理學教授Gia Dvali認為他找到了答案。「黑洞是量子計算機，」他說。「我們有明確的信息處理步驟。」如果他對了，悖論就解決了，信息確實永存。或許更令人吃驚的是，他提出的概念還具有實際意義。未來，我們或許可以借鑒黑洞物理來建造我們自己的量子計算機。
從黑洞中恢複信息的難點在於它們是幾乎沒有特徵的球體，在視界上基本沒有物理屬性;正如美國已故物理學家惠勒所說，他們是「無毛的」。如果一個物體沒有可以用於編碼的特徵就無法用來儲存信息。這其中存在錯誤，Dvali說：「所有『無毛定理』都是錯的，」他和合作者認為引力子——至今還未發現的傳播引力、構建時空的量子——延伸於整個黑洞，形成「量子毛髮」，它允許儲存和釋放信息。
這項新研究建立在量子理論的反直覺特徵之上：量子效應不只是體現在微觀世界。的確，量子效應是脆弱的，在溫暖嘈雜的環境中很快就會被破壞掉，典型如地球上我們熟悉的環境。這就是我們通常觀察不到量子效應的原因。這也是搭建量子計算機的主要挑戰，量子計算機使用粒子的量子態來處理信息而不是傳統晶體管的開關邏輯門。但是在低溫孤立的環境，量子行為可以在很長距離保持——大到足以覆蓋數十億公里的黑洞視界。
你不必去外太空一睹長程量子效應。創建黑洞的量子毛髮所需的巨大距離和質量遠超我們的實驗能力，但通過將原子冷卻到低於萬分之一開爾文溫度(絕對零度以上萬分之一度)，研究人員將近十億個原子——長達幾毫米的範圍——凝聚成單個的量子態。這對於集體量子行為來說已經是巨大的規模了。
這種原子集合——亦即玻色-愛因斯坦凝聚(以Satyendra Bose和Albert Einstein的名字命名，BEC)——是目前建造量子計算機最可能的方案之一。常見的量子效應，比如同時處於兩個位置，在玻色-愛因斯坦凝聚狀態下可以擴展到整個體系，產生許多互相關聯的態。如果研究人員成功地製備穩定的凝聚態並且控制，便可以獲得巨大的信息處理能力。而你恐怕沒想到，玻色-愛因斯坦凝聚還可能解決數十年來的黑洞信息丟失問題。
Dvali指出霍金的信息難題可以有一個自然的解決方案，關鍵是假設黑洞本質上是由處於玻色-愛因斯坦凝聚的引力子組成的——就像是重力聚集的水坑。這個想法可能聽起來很瘋狂，不過在Dvali看來，是個非常合理的結論。在霍金首次提出他的謎語後多年來，物理學家們對黑洞的信息有了更多的了解。理論學家業已知道如何計算黑洞可以存儲的信息量：信息的數量通過在黑洞的熵來量化，並與視界面積成正比。他們還發現黑洞可以非常迅速地重組或「加擾」信息。最後，信息必須從黑洞中逃脫以免與量子力學發生衝突。
從2012年開始，Dvali探索了這些不同的屬性，並驚訝地發現，某些類型的玻色-愛因斯坦凝聚體與黑洞享有共同的基本性質。為了像黑洞一樣，凝聚體需要恰好處於一個轉變點——即所謂的量子臨界點——此時正在量子行為坍縮之前，延展的漲落會穿過流體。Dvali計算出的這種量子臨界凝聚體與黑洞具有相同的熵、加擾能力和釋放時間：具有所謂的量子毛髮。「你可以說這是巧合，但我認為這是非常有力的證據——屬於數學證據——黑洞真的是玻色-愛因斯坦凝聚體」。
將黑洞與實驗室中創建的物質形式聯繫起來意味著可以通過實驗在某些方面探索Dvali的想法。慕尼黑馬克斯-普朗克研究所的物理學教授Immanuel Bloch有著關於玻色-愛因斯坦凝聚的第一手經驗。他把原子聚集在「光晶格」中——通過多個交叉激光束產生的光學晶格——然後使用一種稱為熒光成像的技術得到凝聚體的快照。獲得的圖片優美地展現了原子的關聯量子行為。
Bloch覺得Dvali的想法很有意思，儘管這個想法來自一個與他相去甚遠領域。「我對Gia Dvali的提議感到非常興奮，這完全是個新東西。」Bloch說到，「人們已經通過凝聚體相互作用觀察到坍縮的過程，但到目前為止還怎麼研究過量子臨界點附近發生的事情。
「BEC具有宏觀量子波函數，意味著量子數會有很多漲落。這就是BEC通常看起來像瑞士乳酪的原因，」他繼續道。但是施加磁場可以改變原子相互作用的強度，誘導它們形成有序的格子。」原子相互作用加強，然後進入[非常有序]「莫特態」。這是量子計算的重要狀態，你有了這樣的正規陣列，接著可以用激光操縱原子，旋轉它們並改變自旋[編碼和處理信息]。
根據Dvali的說法，黑洞物理學揭示了使用不同的量子態可能是在玻色-愛因斯坦凝聚體中存儲信息的更好方式。從這個角度來說，黑洞是物理學家所知道的最簡單、緊湊和有效的信息存儲設備。因此，使用黑洞的編碼協議可能是在基於凝聚體的量子計算機中存儲信息的最佳方法。
在實驗室中創建一個模擬黑洞的凝聚體並非不可能。「[在一個黑洞中]，相互作用強度會自我調整。我們可以將相互作用強度調整到凝聚態坍縮的邊緣來模擬類似的東西。越接近量子臨界點，漲落變得越來越大。這可以模擬我們需要的系統。人們可以通過原位觀測這些凝聚體來研究各種量子漲落和非平衡情況，且有著很高的空間分辨。」
Dvali的想法可行卻並不一定實用。「它與領域裡的許多其他東西競爭，現在，我還有很多的疑慮。」Bloch還指出，高效的信息存儲固然好，但對於量子計算機來說，「信息容量暫時不是問題。」他覺得最大挑戰是找到一種方法來操縱Dvali提出的單個量子態——數據處理，而不是數據存儲。當然還有其他的障礙。「我們不確定的還有很多，比如雜訊，它的穩定性如何呢？我們不知道，」Bloch說，「對我而言，更有意思的是與引力物理學的聯繫。」這背後的意義遠遠超出了信息存儲。
Dvali並不是最近唯一研究提出引力與凝聚態物質之間存在聯繫的，這已經成為實驗研究的一個全新領域。按照愛因斯坦的傳統，物理學家一般認為彎曲的時空是物質及其相互作用的舞台。但現在幾個獨立的研究方向表明，我們可能小看了「時空」，引力還可以出現在看似與之無關的物理學中。
在過去的幾十年中，引力與某些類型的流體之間的廣泛聯繫已經證明，具有集體量子行為的系統可以模仿彎曲的時空，得到與愛因斯坦廣義相對論相同的方程。目前，還沒有發現可以完全把廣義相對論推廣到凝聚態的方法，也沒有人知道它是否有可能。儘管如此，新發現的聯繫令物理學家能夠通過原子凝聚體模擬引力系統。
用凝聚體模擬引力使得人們能夠探索難以達到的區域——例如黑洞視界。因此，雖然霍金輻射從未在真正的黑洞中被觀察到，但人們已經測量了其在玻色-愛因斯坦凝聚體系中的類比信號。當然，這些凝聚體並不是真的黑洞——它們捕獲聲波而不是光——但它們遵循相同的數學規律。這麼說來，凝聚態系統實際上執行了相當複雜，甚至棘手的物理計算。
「我們會談論『量子模擬』，試著用這些系統來尋找在經典計算機上難以計算的有趣現象，」Bloch說。「我們也試圖測試其他系統，比如黑洞，又比如我們在二維繫統找到了希格斯粒子[的類比]。」在2012年的一篇自然雜誌的論文中，Bloch和合作者報道他們的量子模擬顯示了類希格斯粒子也可以存在於二維繫統。同樣的技術原則上也可以研究與黑洞類比的BEC體系。
藉助黑洞物理學開發量子計算機的新協議是一回事，確認宇宙里的黑洞是否真的是引力子的凝聚態是另一回事。「我對無法檢驗的想法沒什麼興趣。」Dvali的宇宙學家同事Stefan Hofmann說道。
Hofmann投入了大量時間來探索黑洞是引力子凝聚態這一觀點的實驗觀測結果。「黑洞無毛定理已經打破了。」他同意Dvali的觀點，黑洞視界附近的量子毛髮微妙地改變廣義相對論的預測(尤其是在黑洞形成或碰撞過程中引力波的發射)，其方式應該是可探測的。Hofmann在2015年的研討會上說，「最理想的是一個二元[黑洞]合併事件」。他的夢想成真了：LIGO團隊宣布首次測量到一對黑洞合併發出的引力波。
Hofmann和他的合作者尚未給出定量的預測，可是由於宏觀量子效應，Dvali提出的信息丟失問題的解決方案可能很快就會經受實驗上的測試。然而，黑洞是引力子的量子臨界凝聚體、相當於玻色-愛因斯坦凝聚體的想法，留下了許多問題。首先，Dvali的計算無法解釋落入黑洞的物體實際發生了什麼。Hofmann也承認，目前還不清楚這個物體是如何融入傳統意義上的「黑洞」，因為它無法再在熟悉的廣義相對論框架內描述。
馬賽大學的Carlo Rovelli認為，即使形式不完整，Davli關於黑洞的想法也是有科學意義的。「他們的近似十分激進，可能無法抓住各個方面，但它可能在某種程度上是符合的，特別是在長波區間。對於[時空]的低頻量子漲落，這並不荒謬。」Rovelli說，然而，他提醒說，凝聚態模型「不能作為描述黑洞中的完整描述」。
最後，顯而易見的是，這項研究揭示了一種以前未被認識到且成果豐富的關聯。「在量子信息和黑洞物理學之間有一座非常有趣的橋樑，以前沒有討論過，」Dvali說。如果他是對的，其意義是相當驚人的。信息確實永存的，如此而言，我們都是不朽的。想想我們銀河系中心的超大黑洞，或許它是一個宇宙級量子計算機也說不定？
本文譯自 Aeon，由譯者 dingding 基於創作共用協議(BY-NC)發布。
TAG:煎蛋 |