博科園：本文為物理學類物理學家已經用一臺7量子位元量子計算機來模擬黑洞內部的信息亂序，這預示著未來糾纏的量子比特可用來探測這些奇異天體的神秘內部。當物質在黑洞中消失時就會發生混亂，在這個物質上的信息（它所有成分的身份信息，甚至是它最基本的粒子能量和動量）被混亂地與所有其他物質和內部信息混合在一起
似乎使它不可能被檢索。這就導致了所謂的「黑洞信息悖論」，因為量子力學認為信息永遠不會丟失，即使信息在黑洞中消失了。因此，儘管一些物理學家表示：墜入黑洞視界的信息會永遠消失。但另一些物理學家則認為，這些信息是可以重建的。
博科園-科學科普：但前提是要等相當長的時間——直到黑洞蒸發縮小到原來大小的近一半。黑洞蒸發收縮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，以已故物理學家史蒂芬·霍金(Stephen Hawking)的名字命名。不幸的是，一個質量相當於太陽的黑洞大約需要10^67年才能蒸發，這遠遠超過了宇宙的年齡。然而，在這個黑洞之外有一個環孔——或者更確切地說，一個蟲孔。通過測量黑洞與其發出霍金輻射之間微妙的糾纏，或許可以更快地檢索到這些不斷墜入的信息。
黑洞信息悖論示意圖，愛麗絲把一個量子位元扔進黑洞，問鮑勃是否可以只用霍金輻射重建這個量子位元。圖片：Norman Yao, UC Berkeley兩比特的信息（比如量子計算機中的量子比特或量子位）當它們緊密相連時就會相互糾纏，以至於其中一個量子態會自動決定另一個的狀態，無論它們相距多遠。物理學家有時把這種現象稱為「鬼魅般的超距作用」，對糾纏的量子位元測量可以導致量子信息從一個量子位元「隱形傳輸」到另一個量子位元。加州大學伯克利分校(UC Berkeley)物理學助理教授諾曼·姚(Norman Yao)表示：人們可以通過對這些發出的霍金輻射進行大規模量子計算，來恢復掉入黑洞的信息。
這將是非常非常困難的，但如果量子力學是正確的，它應該在理論上是可能的。這正是Norman Yao所研究的，但是對於一個7量子位元量子計算機中的3量子位『黑洞』來說，通過將糾纏的量子位元扔進黑洞，並查詢正在出現的霍金輻射，理論上可以確定黑洞內量子位元的狀態，為深入黑洞提供一扇窗戶。Norman Yao和他在馬裡蘭大學和加拿大安大略省滑鐵盧圓周理論物理研究所的同事們在2019年3月6日出版的《自然》期刊上發表了他們的研究結果。
Norman Yao對理解量子混沌的本質很感興趣，他從朋友兼同事、周界研究所的理論家吉田本尼(Beni Yoshida)那裡了解到，如果信息在黑洞內被迅速打亂，那麼恢復落入黑洞的量子信息是可能的。它在整個黑洞中混合得越徹底，就能越可靠地通過瞬間移動來獲取信息。基於這一觀點，吉田和Norman Yao去年提出了一個實驗，可以證明在量子計算機上進行置亂。根據實驗，如果測量到足夠高的遠距傳態保真度，那麼就可以保證在量子電路中發生了置亂。Monroe是位於College Park的馬裡蘭大學物理學家，他領導著世界領先捕獲離子量子信息小組之一，他決定嘗試一下。他的團隊實現了Yoshida和Yao提出的實驗，並有效地測量了一個超時序相關函數。
科學家們已經實施了一項量子置亂測試，即對存儲在一組量子粒子中的信息進行混沌變換。量子置亂是一種關於信息如何落入黑洞並以隨機輻射形式釋放出來的建議。這種觀點認為，也許它根本就不是隨機的，黑洞只是優秀的擾碼器。圖片： E. Edwards/Joint Quantum Institute這些特殊的相關函數被稱為OTOCs，是通過比較兩種量子態來創建，這兩種量子態在應用特定的衝擊或擾動時間上有所不同。關鍵是能夠在時間上向前和向後發展量子態，以理解第二次衝擊對第一次衝擊的影響。Monroe團隊在一臺7量子位元捕獲離子量子計算機的3個量子位元上創建了一個置亂量子電路，並描述了由此產生的OTOC衰變。雖然OTOC的衰變通常被認為是發生了混亂的一個強烈跡象，但要證明，必須證明OTOC的衰變不僅僅是因為退相干——也就是說，它不僅沒有很好地屏蔽外部世界的噪聲，而外部世界的噪聲也會導致量子態分崩離析。
研究人員證明，糾纏或傳送信息的準確性越高，就能越嚴格地限制OTOC中發生的置亂數量。測量了近80%的隱形傳態保真度，這意味著可能一半的量子態被打亂，另一半被退相干衰變。然而，這足以證明在這個三量子位元量子電路中確實發生過真正的置亂。該實驗一個可能的應用是與量子計算機基準測試有關，在那裡人們可以使用這項技術來診斷量子處理器中更複雜形式的噪聲和退相干。Norman Yao還與Irfan Siddiqi領導的加州大學伯克利分校一個研究小組合作，演示了在另一種量子系統中的置亂現象，即超導量子qutrits：具有三種而不是兩種狀態的量子比特。
Siddiqi是加州大學伯克利分校的物理學教授，也是勞倫斯伯克利國家實驗室建立先進量子計算試驗臺的帶頭人。本質上，這是一個量子位或qutrit實驗，但可以將其與宇宙學聯繫起來的事實，是因為我們相信量子信息的動力學是相同的，美國正在啟動一項耗資10億美元的量子計劃，了解量子信息的動力學關係到這個計劃中許多研究領域：量子電路和計算、高能物理、黑洞動力學、凝聚態物理以及原子、分子和光學物理。量子信息的語言對於我們理解所有這些不同的系統已經變得無處不在！這項研究得到了美國能源部和國家科學基金會的支持。
博科園-科學科普｜研究/來自: 加州大學伯克利分校參考期刊文獻:《自然》DOI: 10.1038/s41586-019-0952-6博科園-傳遞宇宙科學之美
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