圖片來源：Olena Shmahalo/Quanta Magazine
來源 | quanta magazine
撰文 | Philip Ball
翻譯 | 楊心舟
現(xiàn)在，一項野心勃勃的實驗正在開展。實驗首先要選取一個黑洞，然后再制造一個和其具有量子糾纏的黑洞。這意味著，無論這兩個黑洞距離多么遙遠，當任何事情發(fā)生在其中一個黑洞時，另一個黑洞也會受到影響。
將一些編碼成量子顆粒的信息送到第一個黑洞，這一部分聽起來很簡單，但似乎又很奇怪。當這些信息經(jīng)過事件視界（連光都不能逃逸的位置）時，這些信息會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，如果你將兩個黑洞正確地連接到一起時，只需要一會這些量子信息就會出現(xiàn)在第二個黑洞中，并且能夠被完全讀取出來。要實現(xiàn)這一目標，實驗需要一個能連接兩個黑洞的時空捷徑，那就是蟲洞。
至少，物理學(xué)家預(yù)測這是能發(fā)生的?，F(xiàn)在，來自加州理工學(xué)院的Sepehr Nezami團隊提出了實現(xiàn)這一目標的實驗計劃，并且正與相關(guān)同事一起測試他們的想法。如果他們能證實之前的預(yù)測，那么這項工作就能引導(dǎo)物理學(xué)家尋找物理學(xué)中最難理論的答案：一個可以將量子理論和描述引力的廣義相對論結(jié)合的理論。除此之外，這項理論還能支持另一種想法，即時空是由粒子通過量子糾纏作用，交織在一起產(chǎn)生的。
正如你預(yù)期的那樣，這個實驗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，這個實驗只要在儀器上使用幾個原子或者離子就能完成。同時，這項實驗也能解決一個黑洞中懸而未決的問題，那就是黑洞摧毀信息的過程是不可逆的嗎？
目前人們普遍認為，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突然消失。
但黑洞看起來確實正在從宇宙中移除信息，當一個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的輻射。斯蒂芬·霍金曾于上世紀七十年代預(yù)測，“霍金輻射”會使得黑洞失去質(zhì)量。這種情況下，黑洞并不是永恒的，它們會緩慢地蒸發(fā)殆盡。
霍金一開始認為，即使黑洞通過這種形式最終蒸發(fā)消失了，它所吞噬的信息也不會再回來。但是反德西特時空/共形場論對偶（AdS/CFT對偶）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，這樣來說，大部分信息其實又返回到了宇宙之中。
AdS/CFT對偶理論是由理論物理學(xué)家胡安·馬爾達西那（Juan Maldacena）于1997年提出來的，其被認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。馬爾達西那對偶理論認為，在四維空間中的時空結(jié)構(gòu)，等價于在三維邊界上的量子理論。
這種聯(lián)系有點奇怪和深奧，但又非常讓人驚訝。該理論指出，如果你通過帶有特殊曲率（或者說引力）的反德西特空間構(gòu)建時空（即Ads部分），那該時空的數(shù)學(xué)描述和量子領(lǐng)域中共形場論（即CFT部分）在低一個維度的描述是一致的。換句話說，這種一致性更像一種全息投影，即高維度的時空信息是由低緯度的量子交互所編碼的。這種“全息理論”是由諾貝爾獎獲得者Gerard ’t Hooft首次提出的，而馬爾達西那提出的AdS/CFT對偶則讓人首次看到了時空運作的另一種奇特形式。
那么從這種觀點看來，在反德西特宇宙中的連續(xù)空間可以在共形場論的量子糾纏中顯現(xiàn)出來。馬爾達西那表示，“時空應(yīng)該在一個充滿量子比特的系統(tǒng)中出現(xiàn)，在這個系統(tǒng)中量子會高度的糾纏和相互作用?！睋Q言之，量子糾纏能產(chǎn)生一個能擁有引力的時空。因此，你也可以說，引力會從量子效應(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入黑洞的信息究竟發(fā)生了什么。AdS/CFT對偶則是解答該難題的關(guān)鍵，因為它支持了量子糾纏可以反映霍金輻射信息的想法，這樣信息不會永久地消失。
2004年，在假設(shè)AdS/CFT對偶理論成立的基礎(chǔ)上，霍金認為我們能夠通過捕捉黑洞壽命周期中每一個來自霍金輻射的光子，以此來恢復(fù)信息。美國加利福尼亞大學(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，也能通過量子比特來計算獲得信息?！?/p>
直到黑洞蒸發(fā)一半的時間點之前，里面的信息是無法破解的。但過了這個臨界點，黑洞就會開始通過霍金輻射開始顯現(xiàn)其中的信息。因此，在可以獲取信息前，我們需要等待很長一段時間。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)，信息會以一個不變的速率釋放出來。
但在2007年，Patrick Hayden 和John Preskill對此描述進行了修訂，他們指出，實際上在超過了一半的時間點后，信息釋放的速度要快很多。更奇怪的是，一旦黑洞蒸發(fā)超過一半，當更多量子比特信息進入黑洞時，“幾乎會立即反彈回來，”Yao表示。這是因為到了這個階段，黑洞與釋放出來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去的信息會立即高效地轉(zhuǎn)變成接下來要釋放出的輻射。Hayden和Preskill表示，“此刻開始，黑洞就表現(xiàn)得像一面帶有信息的鏡子。”
Hayden和Preskill也認為黑洞熱力學(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系統(tǒng)中，最終達到平衡。你可以想象一下創(chuàng)造兩個包含能量的系統(tǒng)，讓它們互相接觸。接著兩個系統(tǒng)中的能量會相互傳遞，直到它們無法恢復(fù)到一開始的狀態(tài)，你也無法將它們區(qū)分開來。
量子加擾本質(zhì)上也是相同的，但是要更強。即使你能觀察兩個加擾系統(tǒng)的聯(lián)系，你仍然無法區(qū)分兩個加擾系統(tǒng)?！凹訑_就好比一種非常強的熱平衡化，”Yao表示，“這讓量子信息不再局限在某個區(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，“假如你拿了一副有序的撲克牌，當你洗牌了之后，里面有沒有任何可以模式可以描述這些卡牌了。但這不是說你賦予了整副卡牌完全的隨機性，而只能說這些卡牌充分的搭配混合，想要判斷它們不是隨機的會非常復(fù)雜。這比天然的隨機性發(fā)生要更快?！?/p>
Christopher Monroe實驗室里用于控制原子基礎(chǔ)量子比特的激光器。（圖片來源：Christopher Monroe group at the University of Maryland）
“幾乎所有的多體量子系統(tǒng)都會逐漸走向加擾，”他補充道。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)來決定，量子系統(tǒng)的加擾率也完全依賴粒子相互作用的細節(jié)條件，而這些細節(jié)在數(shù)學(xué)上由哈密頓算子來描述。而當哈密頓算子運用在黑洞中時，就意味著這些細節(jié)會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，黑洞就像一個快速量子加擾回路一樣運作，一旦它和自身的霍金輻射相互糾纏時，任何進入黑洞的新信息就會馬上出現(xiàn)在輻射之中。
同樣，你就必須得等到黑洞開始和霍金輻射糾纏得足夠充分才能獲取信息，而這個節(jié)點就是黑洞蒸發(fā)到一半的時候。
但是其實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行最大程度的糾纏，比如另一個黑洞。這是哈佛大學(xué)的Ping Gao 和Daniel Jafferis于2006年所提出來的想法，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黑洞相互糾纏，那么第一個黑洞所吞噬的量子比特將會出現(xiàn)在第二個黑洞中。Gao和同事們也進一步提出，這種糾纏能在兩個黑洞之間傳輸量子信息。這也等同于常說的量子隱形傳態(tài)，當這種過程發(fā)生在兩個糾纏粒子之間時，可以將一個粒子的量子態(tài)傳輸給另一個粒子。被傳輸?shù)牧Ｗ訒蛡鬏斣戳Ｗ涌雌饋硪荒Ｒ粯?，實際上，你都無法判斷它們不是同一個粒子?！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對偶理論是對的，那么這些實驗就不只是一些實驗室類比黑洞的操作，而是能夠等同于真實黑洞系統(tǒng)的。
“動態(tài)黑洞中的系統(tǒng)能夠允許時間維度上的隱形傳態(tài)速度達到最快，”Yao解釋道。這是因為進入任何一個黑洞的信息都會迅速地與其中的所有粒子共享，而這些粒子又與第二個黑洞相互糾纏，所以第二個黑洞也能以最快的速度獲取信息。
量子隱形傳態(tài)已經(jīng)用實驗展示了很多次，并且已經(jīng)用于量子設(shè)備之間加密信息的傳輸。但是，它不能即時地傳送信息，因為信號沒有解碼，看起來是隨機的，它仍然需要一些傳統(tǒng)機制上的額外信息。這就意味著這些信號不能超光速傳輸?！斑@就是為什么Gao和他的同事們想要讓黑洞配對，除了讓兩個黑洞糾纏，還需要一些其他方法的原因，”曾經(jīng)在Hayden實驗室的博士生Nezami表示，“在糾纏的幫助下，兩個黑洞間可以傳輸關(guān)鍵的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)，從一個黑洞向另一個傳輸信號?！?/p>
至少在量子信息理論學(xué)家看來，這一過程是這樣的。但根據(jù)AdS/CFT對偶理論基于廣義相對論的描述，兩個黑洞之間由于相互糾纏而形成的通道，應(yīng)該與在時空中連接兩個黑洞的蟲洞是相同的。從這個觀點來說，量子比特進入一個黑洞后，會沿著蟲洞進入另一個黑洞。
通常情況下，廣義相論允許的蟲洞被認為是不能穿越的，你不能在蟲洞間傳輸任何東西。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可穿越的蟲洞。
在AdS/CFT對偶理論成立的情況下，客觀來說就能允許劇烈的變化。理論上，研究人員可以通過以正確地方式來糾纏量子回路，來建立一個與連接著蟲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)和其它科研機構(gòu)一起想出了實現(xiàn)該設(shè)想的計劃。想要讓一群量子粒子像黑洞一樣運作，只需要在它們的相互作用中分配一個哈密頓算子，能讓它們擁有極快的加擾速率。
其實，量子加擾在去年才首次以非模糊的方式展示出來。在采納了Yao等人的實驗計劃后，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)建了一個量子回路。在現(xiàn)實系統(tǒng)中，一些無規(guī)則的過程是很難觀測到加擾現(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)境中的粒子會圍繞著量子系統(tǒng)。隨著退相干過程，信息會泄漏到環(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算機的一大困擾：任何量子計算必須在量子退相干損壞信息之前完成。
Christopher Monroe
一般來說，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到后者。Monroe團隊則想到了區(qū)分兩種現(xiàn)象的方法，首先讓7對鐿離子排成一排，然后組成回路，此時每一個離子像一個量子比特運作，然后再將兩個量子隱形傳態(tài)算法編碼到這個回路中。那么在量子計算中，這一過程就會將單個的量子比特從一排離子的末端傳到另一排。為了檢測量子加擾的速率，研究人員會根據(jù)算法向前或反推的演化來比較隱形傳態(tài)過程。
在沒有量子加擾的情況下，這兩種演化過程是相聯(lián)系的。但隨著量子加擾開始散布那些一開始編碼在其它量子比特中的信息，朝前和反推的計算結(jié)果相關(guān)性就會越來越低：整個系統(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現(xiàn)的?！暗绻麅蓚€過程具有相關(guān)性，那就說明幾乎沒發(fā)生什么事情，”Monroe表示，“但量子加擾的出現(xiàn)，會讓這種相關(guān)性逐漸變成0。”這也是他們隨著時間變化所觀測到的。
Brown和同事認為，像這樣的量子回路就能用來構(gòu)建Gao，Jafferis和Wall所想的那種可穿越蟲洞。在Brown等人設(shè)想的版本中，兩個黑洞都只需要幾個量子比特組成，這樣能最大程度地彼此相互糾纏。他們計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對偶理論是對的，那么這些就不再是實驗室的黑洞類似物，這些系統(tǒng)與黑洞就是相同的。在反德西特空間中，這些離子就會和一些極小的黑洞看起來一樣。
Swingle在去年10月和Monroe的一次對話中，也描述了他的類蟲洞量子回路。Monroe認為這種回路多少就類似他們曾用來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，但他表示他的團隊僅僅選用了他們的回路來展示量子加擾，并沒有考慮它和引力之間的聯(lián)系。
如果Swingle和同事修正過的量子回路能被建造出來，那么就能更直觀地展示Monroe所預(yù)測的效應(yīng)。這能實現(xiàn)嗎？“那是肯定的，”Monroe說。科學(xué)家有望看見，當一個量子比特的信息被一個黑洞類型的量子系統(tǒng)吞噬，并看起來消失時。它又會在一段時間后，在沒有被加擾的情況下經(jīng)過蟲洞出現(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驗就有望創(chuàng)立一個由廣義相對論描述的簡單時空模型。“如果目標是獲得一個愛因斯坦方程主導(dǎo)的時空，”Maldacena說，“那么能產(chǎn)生這個時空的系統(tǒng)將會非常特殊，并且就會在實驗室里被制造出來?！钡撬惭a充道，“所有這些科學(xué)家都是為了能創(chuàng)建一個足夠復(fù)雜的系統(tǒng)，讓里面能有一些引力的特征，現(xiàn)在確實有望實現(xiàn)?！?/p>
如果這些實驗的結(jié)果與預(yù)期相同，那么是否也就說明了AdS/CFT對偶理論是正確的呢？這就仁者見仁智者見智了。對這些量子回路的理論分析中，還沒有一個回路能完全符合標準量子理論。但其實這是一種更簡單和經(jīng)濟的方式來描述引力：一條蟲洞通道?！氨M管你能用薛定諤方程來解釋這些現(xiàn)象，但是還有著更簡單的解釋來描述黑洞，”Brown說。
Swingle也問到，是不是物理學(xué)的目標就是尋找這樣一個經(jīng)濟的描述方法，并且用其來解讀現(xiàn)實呢？比如，你可以用電子波函數(shù)來描述超導(dǎo)現(xiàn)象（另一種量子現(xiàn)象）。但實際上用準粒子來描述超導(dǎo)就要簡單很多，在這里相當于將成對的庫珀對比作了糾纏的電子。既然我們沒有質(zhì)疑準粒子的真實性，那么我們?yōu)槭裁椿厝シ裾J量子比特蟲洞的真實性呢？
就此而言，“在觀測原子時，我們可能學(xué)習(xí)到了和原子無關(guān)的東西，而黑洞也是一樣，”Monroe說。他們更有野心的目標是利用多量子比特系統(tǒng)來揭示時空的屬性?！叭绻芡瓿蛇@些實驗，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)中檢測多方位的時空起源，”馬爾達西那說。
而對于這些實驗的前景，Swingle說他正和許多實驗學(xué)家討論，將量子加擾回路應(yīng)用到上面這些前衛(wèi)和激進的想法中，盡管目前還需要更詳實的計劃。但能有這些對話就已經(jīng)是一個新的里程碑了，“在這里，研究量子引力的理論物理學(xué)家會和研究實驗原子的物理學(xué)家進行討論，”Brown說，“就迄今為止的物理研究分類來講，這兩個研究方向已經(jīng)相隔非常遠。因此這是一種新現(xiàn)象，也是一種好現(xiàn)象?！?/p>
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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