圖片來源：Olena Shmahalo/Quanta Magazine
來源 | quanta magazine
撰文 | Philip Ball
翻譯 | 楊心舟
現在，一項野心勃勃的實驗正在開展。實驗首先要選取一個黑洞，然後再製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麼遙遠，當任何事情發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在第二個黑洞中，並且能夠被完全讀取出來。要實現這一目標，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，物理學家預測這是能發生的。現在，來自加州理工學院的Sepehr Nezami團隊提出了實現這一目標的實驗計劃，並且正與相關同事一起測試他們的想法。如果他們能證實之前的預測，那麼這項工作就能引導物理學家尋找物理學中最難理論的答案：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，交織在一起產生的。
正如你預期的那樣，這個實驗用不上通常意義上的黑洞，比如超大質量恆星由於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，包括能量在內的信息需要遵循守恆定律，即宇宙中所有信息的總量應該是固定不變的。這也如同量子理論所闡述的一樣，用於描述量子的波函數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，那麼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。史蒂芬·霍金曾於上世紀七十年代預測，「霍金輻射」會使得黑洞失去質量。這種情況下，黑洞並不是永恆的，它們會緩慢地蒸發殆盡。
霍金一開始認為，即使黑洞通過這種形式最終蒸發消失了，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家胡安·馬爾達西那（Juan Maldacena）於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構，等價於在三維邊界上的量子理論。
這種聯繫有點奇怪和深奧，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）的反德西特空間構建時空（即Ads部分），那該時空的數學描述和量子領域中共形場論（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。
那麼從這種觀點看來，在反德西特宇宙中的連續空間可以在共形場論的量子糾纏中顯現出來。馬爾達西那表示，「時空應該在一個充滿量子比特的系統中出現，在這個系統中量子會高度的糾纏和相互作用。」換言之，量子糾纏能產生一個能擁有引力的時空。因此，你也可以說，引力會從量子效應中快速產生。
那麼這些理論和黑洞有什麼關係呢？黑洞信息難題主要就是想知道進入黑洞的信息究竟發生了什麼。AdS/CFT對偶則是解答該難題的關鍵，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AdS/CFT對偶理論成立的基礎上，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，以此來恢復信息。美國加利福尼亞大學伯克利分校的Norman Yao解釋道，「假設你是上帝，當你收集了所有的霍金輻射光子後，即使不用上帝能力，也能通過量子比特來計算獲得信息。」
直到黑洞蒸發一半的時間點之前，裡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。而根據阿爾伯塔大學物理學家Don Page於1993年提出的假設，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後，信息釋放的速度要快很多。更奇怪的是，一旦黑洞蒸發超過一半，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，這意味著黑洞吞噬進去的信息會立即高效地轉變成接下來要釋放出的輻射。Hayden和Preskill表示，「此刻開始，黑洞就表現得像一面帶有信息的鏡子。」
Hayden和Preskill也認為黑洞熱力學和量子信息理論之間的聯繫可以激起一種被稱作量子加擾的現象。這種現象就好比將熱量均勻分布到一個系統中，最終達到平衡。你可以想像一下創造兩個包含能量的系統，讓它們互相接觸。接著兩個系統中的能量會相互傳遞，直到它們無法恢復到一開始的狀態，你也無法將它們區分開來。
量子加擾本質上也是相同的，但是要更強。即使你能觀察兩個加擾系統的聯繫，你仍然無法區分兩個加擾系統。「加擾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域。」
「這種現象可以比作量子洗牌，」史丹福大學的物理學家Adam Brown說，「假如你拿了一副有序的撲克牌，當你洗牌了之後，裡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複雜。這比天然的隨機性發生要更快。」
Christopher Monroe實驗室裡用於控制原子基礎量子比特的雷射器。（圖片來源：Christopher Monroe group at the University of Maryland）
「幾乎所有的多體量子系統都會逐漸走向加擾，」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來決定，量子系統的加擾率也完全依賴粒子相互作用的細節條件，而這些細節在數學上由哈密頓算子來描述。而當哈密頓算子運用在黑洞中時，就意味著這些細節會讓量子信息以最快的速度加擾。
而這也就引導出了Hayden 和 Preskill所研究出的的結論，黑洞就像一個快速量子加擾迴路一樣運作，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，而這個節點就是黑洞蒸發到一半的時候。
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。這是哈佛大學的Ping Gao 和Daniel Jafferis於2006年所提出來的想法，他們倆也曾與普林斯頓大學的Aron Wall一起合作。如果能以這種方式讓一對黑洞相互糾纏，那麼第一個黑洞所吞噬的量子比特將會出現在第二個黑洞中。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。這也等同於常說的量子隱形傳態，當這種過程發生在兩個糾纏粒子之間時，可以將一個粒子的量子態傳輸給另一個粒子。被傳輸的粒子會和傳輸源粒子看起來一模一樣，實際上，你都無法判斷它們不是同一個粒子。「兩者之間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，那麼這些實驗就不只是一些實驗室類比黑洞的操作，而是能夠等同於真實黑洞系統的。
「動態黑洞中的系統能夠允許時間維度上的隱形傳態速度達到最快，」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。
量子隱形傳態已經用實驗展示了很多次，並且已經用於量子設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機制上的額外信息。這就意味著這些信號不能超光速傳輸。「這就是為什麼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鍵的傳統數據，從一個黑洞向另一個傳輸信號。」
至少在量子信息理論學家看來，這一過程是這樣的。但根據AdS/CFT對偶理論基於廣義相對論的描述，兩個黑洞之間由於相互糾纏而形成的通道，應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後，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如何能被用於製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迴路，來建立一個與連接著蟲洞的黑洞一樣的系統，這樣就能在兩者之間傳輸量子比特。
Nezami和Brown同史丹福大學、馬裡蘭大學和其它科研機構一起想出了實現該設想的計劃。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。在採納了Yao等人的實驗計劃後，馬裡蘭大學的Christopher Monroe和他的同事利用電捕獲離子（量子態是糾纏的）構建了一個量子迴路。在現實系統中，一些無規則的過程是很難觀測到加擾現象的，比如經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生的糾纏中產生的，這種情況下，環境中的粒子會圍繞著量子系統。隨著退相干過程，信息會洩漏到環境中最後丟失掉。由於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生得更快，因此我們很難清晰地觀測到後者。Monroe團隊則想到了區分兩種現象的方法，首先讓7對鐿離子排成一排，然後組成迴路，此時每一個離子像一個量子比特運作，然後再將兩個量子隱形傳態算法編碼到這個迴路中。那麼在量子計算中，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，研究人員會根據算法向前或反推的演化來比較隱形傳態過程。
在沒有量子加擾的情況下，這兩種演化過程是相聯繫的。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果相關性就會越來越低：整個系統已經改變了它的原始狀態，因此量子隱形傳態是不能精確地反推實現的。「但如果兩個過程具有相關性，那就說明幾乎沒發生什麼事情，」Monroe表示，「但量子加擾的出現，會讓這種相關性逐漸變成0。」這也是他們隨著時間變化所觀測到的。
Brown和同事認為，像這樣的量子迴路就能用來構建Gao，Jafferis和Wall所想的那種可穿越蟲洞。在Brown等人設想的版本中，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中需要的額外通道。
直覺告訴我們，用電磁捕獲的少數離子不可能和一顆連光都無法逃脫的坍縮恆星一樣。但這也是最讓人震驚的，如果AdS/CFT對偶理論是對的，那麼這些就不再是實驗室的黑洞類似物，這些系統與黑洞就是相同的。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迴路。Monroe認為這種迴路多少就類似他們曾用來展示量子加擾的迴路。Monroe也曾注意到Hayden和Preskill想要利用量子糾纏從黑洞中恢復信息的想法，但他表示他的團隊僅僅選用了他們的迴路來展示量子加擾，並沒有考慮它和引力之間的聯繫。
如果Swingle和同事修正過的量子迴路能被建造出來，那麼就能更直觀地展示Monroe所預測的效應。這能實現嗎？「那是肯定的，」Monroe說。科學家有望看見，當一個量子比特的信息被一個黑洞類型的量子系統吞噬，並看起來消失時。它又會在一段時間後，在沒有被加擾的情況下經過蟲洞出現在另一組量子系統中。讓人驚訝的也不是信息在兩個系統中成功傳輸了，而是信息能以可讀的形式再次出現了，儘管信息在第一個黑洞中經歷了完全的加擾。
到了這一階段，這些使用量子迴路的實驗就有望創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的時空，」Maldacena說，「那麼能產生這個時空的系統將會非常特殊，並且就會在實驗室裡被製造出來。」但是他也補充道，「所有這些科學家都是為了能創建一個足夠複雜的系統，讓裡面能有一些引力的特徵，現在確實有望實現。」
如果這些實驗的結果與預期相同，那麼是否也就說明了AdS/CFT對偶理論是正確的呢？這就仁者見仁智者見智了。對這些量子迴路的理論分析中，還沒有一個迴路能完全符合標準量子理論。但其實這是一種更簡單和經濟的方式來描述引力：一條蟲洞通道。「儘管你能用薛丁格方程來解釋這些現象，但是還有著更簡單的解釋來描述黑洞，」Brown說。
Swingle也問到，是不是物理學的目標就是尋找這樣一個經濟的描述方法，並且用其來解讀現實呢？比如，你可以用電子波函數來描述超導現象（另一種量子現象）。但實際上用準粒子來描述超導就要簡單很多，在這裡相當於將成對的庫珀對比作了糾纏的電子。既然我們沒有質疑準粒子的真實性，那麼我們為什麼回去否認量子比特蟲洞的真實性呢？
就此而言，「在觀測原子時，我們可能學習到了和原子無關的東西，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來揭示時空的屬性。「如果能完成這些實驗，我們就可能創立更加複雜的糾纏系統，也可以在量子系統中檢測多方位的時空起源，」馬爾達西那說。
而對於這些實驗的前景，Swingle說他正和許多實驗學家討論，將量子加擾迴路應用到上面這些前衛和激進的想法中，儘管目前還需要更詳實的計劃。但能有這些對話就已經是一個新的裡程碑了，「在這裡，研究量子引力的理論物理學家會和研究實驗原子的物理學家進行討論，」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相隔非常遠。因此這是一種新現象，也是一種好現象。」
原文連結：
https://www.quantamagazine.org/wormholes-reveal-a-way-to-manipulate-black-hole-information-in-the-lab-20200227/
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