黑洞可以成為量子計算機(jī)

李有觀

在人死后，其身體的原子會分散并找到新的場所，進(jìn)入海洋、森林和其他物體之中。但是根據(jù)量子力學(xué)的定律，所有關(guān)于人身體的構(gòu)造和功能的信息都會持續(xù)下去。

這個令人確信的概念卻有一個明顯的例外：根據(jù)我們目前對物理的理解，信息無法在遇到黑洞時保存下來。四十年前，英國著名物理學(xué)家和宇宙學(xué)家斯蒂芬？霍金（1942—2018）證明了黑洞可以摧毀信息。無論什么落入黑洞，都會從宇宙的其他部分消失。

霍金的證明給理論物理學(xué)家出了一個大難題：廣義相對論說黑洞會消除信息；量子力學(xué)又認(rèn)為這是不可能的，因?yàn)樾畔⒂肋h(yuǎn)存在。廣義相對論和量子力學(xué)都是經(jīng)過長期檢驗(yàn)的理論，但兩者又不可能融合。其中的沖突揭示了一些比黑洞的詭異更為基本的東西：信息悖論清楚地表明，物理學(xué)家仍然不了解自然界的基本規(guī)律。

但是德國慕尼黑市路德維希？馬克西米利安大學(xué)物理學(xué)教授吉亞？德瓦利認(rèn)為他找到了解決方案?！昂诙词橇孔佑嬎銠C(jī)，”他說，“我們有明確的信息處理程序。”如果他是正確的，悖論就不存在了。信息真的是永存的?；蛟S更令人驚奇的是，德瓦利的概念還具有實(shí)際意義。在未來，我們也許可以利用黑洞物理學(xué)來構(gòu)建我們自己的量子計算機(jī)。

從黑洞中恢復(fù)信息似乎是不可能的主要原因是，它們是幾乎沒有特征的球體，在它們的視界上根本沒有物理屬性；正如美國已故物理學(xué)家約翰·惠勒所說，它們“沒有毛發(fā)”。 按照標(biāo)準(zhǔn)的論點(diǎn)，如果一個物體沒有可以用于編碼的功能就不可能用于存儲信息。這其中存在錯誤，德瓦利說：“所有這些無毛發(fā)定理都是錯誤的。”他和他的合作者認(rèn)為，引力子（迄今為止尚未發(fā)現(xiàn)的傳遞引力并構(gòu)成時空的量子）在整個黑洞中延伸并形成“量子毛發(fā)”，允許存儲和釋放信息。

這項新研究建立在量子理論的反直覺特征之上：量子效應(yīng)不一定體現(xiàn)在很小的微觀世界。確實(shí)，量子效應(yīng)的影響是脆弱的，在溫暖嘈雜的環(huán)境中很快就會被破壞掉，例如地球上常見的環(huán)境。這就是我們通常觀察不到量子效應(yīng)的原因。這也是構(gòu)建量子計算機(jī)的主要挑戰(zhàn)，量子計算機(jī)使用粒子的量子態(tài)而不是傳統(tǒng)晶體管的開關(guān)邏輯來處理信息。但是在低溫而孤立的環(huán)境里，量子行為可以持續(xù)很長的距離——大到足以覆蓋數(shù)十億公里的黑洞視界。

人們不需要去外太空目睹長程量子效應(yīng)。創(chuàng)建黑洞的量子毛發(fā)所需的巨大距離和質(zhì)量可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出我們的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，但通過將原子冷卻到低于開爾文溫度（以絕對零度作為計算起點(diǎn)的溫度）的萬分之一（即絕對零度以上萬分之一度），研究人員將近十億個原子聚集成一個單一的量子態(tài)。這對于集體量子行為來說是巨大的規(guī)模。

這種原子聚集體——被稱為玻色-愛因斯坦凝聚體（以印度物理學(xué)家薩特延德拉？玻色和著名物理學(xué)家阿爾伯特？愛因斯坦的名字命名）——是目前建造可行的量子計算機(jī)最有前途的工具之一。玻色—愛因斯坦凝聚體中的量子效應(yīng)，好像同時在兩個地方的能量，可以擴(kuò)展到整個凝聚體，產(chǎn)生許多互相關(guān)聯(lián)的態(tài)。如果研究人員成功地制造穩(wěn)定的凝聚體并且控制這些狀態(tài)，就可以獲得巨大的信息處理能力。并非巧合的是，玻色-愛因斯坦凝聚體還可能解決數(shù)十年來的黑洞信息丟失的問題。

吉亞？德瓦利指出，霍金的信息難題可以找到一個自然的解決方案，關(guān)鍵是假設(shè)黑洞本質(zhì)上是由經(jīng)過玻色-愛因斯坦凝聚的引力子組成——猶如重力聚集的水坑。這個想法可能聽起來很瘋狂，但是在德瓦利看來，這是一個非常合理的結(jié)論。在霍金首次提出他的謎語后，多年來，物理學(xué)家們對黑洞的信息有了更多的了解。理論學(xué)家已經(jīng)知道如何計算黑洞可以存儲的信息量：信息的數(shù)量在黑洞的熵中被量化，并與視界面積成正比。他們還發(fā)現(xiàn)黑洞可以非常迅速地重新分配或“加擾”信息。最后，他們知道信息必須從黑洞中逃脫的速度，以避免與量子力學(xué)發(fā)生沖突。

從2012年開始，德瓦利探索了這些不同的屬性，并驚奇地發(fā)現(xiàn)，某些類型的玻色-愛因斯坦凝聚體與黑洞有著相同的基本性質(zhì)。為了像黑洞一樣，凝聚體必須停留在一個轉(zhuǎn)變點(diǎn)——即所謂的量子臨界點(diǎn)，在量子行為崩潰之前，延伸的波動會穿過流體。德瓦利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：具有恰到好處的量子毛發(fā)。他說，有人說這可能是巧合，但我認(rèn)為這是非常有力的證據(jù)——數(shù)學(xué)證據(jù)，黑洞真的是玻色-愛因斯坦凝聚體。

將黑洞與一種能在實(shí)驗(yàn)室中產(chǎn)生的物質(zhì)聯(lián)系起來，意味著可以通過實(shí)驗(yàn)在某些方面探索德瓦利的想法。德國慕尼黑市馬克斯-普朗克研究所的物理學(xué)教授伊曼紐爾·布洛赫擁有玻色-愛因斯坦凝聚體的第一手經(jīng)驗(yàn)。他把原子聚集在“光晶體”——通過多個交叉激光束產(chǎn)生的光學(xué)晶格之中，然后使用一種稱為熒光成像的技術(shù)拍攝凝聚體的快照。由此獲得的圖片精美地展現(xiàn)了原子的相關(guān)量子行為。

伊曼紐爾·布洛赫研究了德瓦利的想法，雖然這個想法來源于一個與他完全不同的領(lǐng)域，但是很有意思，引人入勝?！拔覍Φ峦呃慕ㄗh感到非常興奮，我認(rèn)為這是一個非常新的東西?！辈悸搴照f?！叭藗円呀?jīng)觀察到了與凝聚體相互作用的崩塌動力學(xué)，但是到目前為止還沒有人研究過量子臨界點(diǎn)以及那里發(fā)生的事情?！?/p>

“玻色-愛因斯坦凝聚體具有宏觀量子波，意味著量子數(shù)會有很多波動。這就是玻色-愛因斯坦凝聚體通?？雌饋砗孟袢鹗磕汤业脑?，”布洛赫說。但是通過施加磁場，可以改變原子相互作用的強(qiáng)度，從而將它們引入有序的晶格中。讓原子強(qiáng)烈地相互作用，然后進(jìn)入非常有序的“莫特狀態(tài)”。這是量子計算的一個很好的狀態(tài)，有了這樣的正規(guī)序列，可以用激光操縱原子，旋轉(zhuǎn)它們，并改變自旋，從而進(jìn)行編碼和處理信息。

根據(jù)德瓦利的想法，黑洞物理學(xué)揭示了一種更好的方法：通過使用不同的量子態(tài)將信息存儲在玻色-愛因斯坦凝聚體中。可以說，黑洞是物理學(xué)家所知道的最簡單、最緊湊和最有效的信息存儲工具。因此，使用黑洞的編碼協(xié)議應(yīng)該是在基于凝聚體的量子計算機(jī)中存儲信息的最佳方法。

布洛赫說，在實(shí)驗(yàn)室中創(chuàng)建一個模擬黑洞的凝聚體似乎可以做到。“在一個黑洞中，相互作用的強(qiáng)度會自我調(diào)整。我們可以通過將相互作用的強(qiáng)度調(diào)整到冷凝體即將崩潰的位置來模擬類似的東西。隨著越接近量子臨界點(diǎn)，波動會變得越來越大。這可以模擬我們需要的系統(tǒng)。我們可以通過原位觀測這些凝聚體來研究各種量子波動和非平衡情況，并且具有很高的空間分辨率?！?/p>

實(shí)現(xiàn)德瓦利的想法是可能的，卻并不一定意味著它是實(shí)用的。布洛赫說：“現(xiàn)在，我對此有更多的懷疑而不是信仰。”他還指出，有效的信息存儲固然好，但對于量子計算機(jī)來說，信息容量目前不是問題。他認(rèn)為最大的挑戰(zhàn)是找到一種方法來操縱德瓦利已經(jīng)確定的量子態(tài)——數(shù)據(jù)處理，而不是數(shù)據(jù)存儲。另外還有其他的實(shí)際障礙?！拔覀儾磺宄倪€有很多因素，例如噪音，它能夠抵抗噪音嗎？我們不知道?！辈悸搴照f。“對我來說，更有意思的方面是與引力物理學(xué)的聯(lián)系?！边@里的含義遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了信息存儲。

德瓦利關(guān)于引力與凝聚體物質(zhì)之間存在聯(lián)系的研究，為實(shí)驗(yàn)研究開辟了全新的領(lǐng)域。按照愛因斯坦的傳統(tǒng)，物理學(xué)家一般認(rèn)為彎曲的時空是物質(zhì)及其相互作用的舞臺。但現(xiàn)在幾個獨(dú)立的研究方向表明，時空可能并不像我們想象的那樣微不足道?？雌饋?，引力可以來自非引力物理學(xué)領(lǐng)域。

在過去的幾十年中，引力與某些類型的流體之間的許多聯(lián)系已經(jīng)證明，具有集體量子行為的系統(tǒng)可以模仿彎曲的時空，從而產(chǎn)生與愛因斯坦廣義相對論相同的方程。目前還沒有一種方法可以通過假設(shè)時空是一種凝聚體來完全推廣廣義相對論，也沒有人知道它是否有可能。盡管如此，新發(fā)現(xiàn)的關(guān)系使物理學(xué)家能夠研究那些可以用原子凝聚體模擬的引力系統(tǒng)。

利用凝聚體模擬引力使物理學(xué)家能夠探索那些實(shí)驗(yàn)無法進(jìn)行的區(qū)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(jīng)測量了其通過玻色-愛因斯坦凝聚體模擬的黑洞。當(dāng)然，這些凝聚體并不是真正的黑洞——它們捕獲聲波而不是光，但它們遵循一些相同的數(shù)學(xué)定律。因此，在某種意義上，冷凝體可以進(jìn)行復(fù)雜的，甚至是難以處理的物理計算。

“我們喜歡談?wù)摗孔幽M，并嘗試使用這些系統(tǒng)來尋找在經(jīng)典計算機(jī)上難以計算的有趣現(xiàn)象?！辈悸搴照f?！拔覀円苍噲D用這種系統(tǒng)來測試其他系統(tǒng)，例如黑洞?！?/p>

應(yīng)用黑洞物理學(xué)開發(fā)量子計算機(jī)的新協(xié)議是一回事，查明天體物理的黑洞是否真的是引力子的凝聚體是另一回事?！叭绻藗儫o法測試它，我對這個想法不感興趣?！钡峦呃耐?、宇宙學(xué)家斯特凡·霍夫曼說道。

斯特凡·霍夫曼花費(fèi)了大量的時間來探索黑洞是引力子凝聚體這一觀點(diǎn)的觀測結(jié)果?！昂诙礋o毛發(fā)定理可以說是不正確的?！彼獾峦呃挠^點(diǎn)。霍夫曼認(rèn)為，黑洞視界附近的量子毛發(fā)會巧妙地改變廣義相對論的預(yù)測（尤其是在黑洞形成或碰撞過程中引力波的發(fā)射），其方式應(yīng)該是可以檢測到的?；舴蚵?015年的研討會上說，“我的夢想是一個二元黑洞合并?！彼膲粝氤烧媪耍好绹又堇砉W(xué)院和麻省理工學(xué)院的合作實(shí)驗(yàn)室——激光干涉引力波觀測站（簡稱LIGO）的研究人員最近宣布首次測量到一對黑洞合并發(fā)出的引力波。

由于宏觀量子效應(yīng)，德瓦利提出的信息丟失問題的解決方案可能很快就會在實(shí)驗(yàn)上得到檢驗(yàn)。然而，黑洞是引力子的量子臨界凝聚體、相當(dāng)于玻色-愛因斯坦凝聚體的想法，留下了許多問題。首先，德瓦利的計算無法解釋落入黑洞的物體實(shí)際發(fā)生了什么。斯特凡·霍夫曼也承認(rèn)，目前還不清楚這個物體是如何融入傳統(tǒng)意義上的“黑洞”， 因?yàn)樗荒茉僭谖覀兪煜さ膹V義相對論框架內(nèi)被描述。

來自法國馬賽大學(xué)的卡洛·羅維利認(rèn)為，即使形式不完整，德瓦利關(guān)于黑洞作為凝聚體的想法在科學(xué)上也是有用的?！八鼈円苍S在某種程度上是相符的，特別是在長波范圍內(nèi)。對于時空的低頻量子波動，這可能并不荒謬?！绷_維利說。然而，他提醒說，凝聚體模型“不能完整描述黑洞中發(fā)生的事情”。

不過，顯而易見的是，這項研究揭示了一種以前未被認(rèn)識到且非常富有成果的關(guān)系。德瓦利說：“我們在量子信息和黑洞物理學(xué)之間建立了一座非常有趣的橋梁，這在以前沒有討論過?！比绻菍Φ?，其意義是十分驚人的。信息確實(shí)永遠(yuǎn)存在，從這個意義上講，我們都是不朽的。銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞，也可能是一個宇宙量子計算機(jī)。