黑洞可以成為量子計算機

李有觀

在人死后，其身體的原子會分散并找到新的場所，進入海洋、森林和其他物體之中。但是根據(jù)量子力學的定律，所有關于人身體的構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，英國著名物理學家和宇宙學家斯蒂芬？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；量子力學又認為這是不可能的，因為信息將永遠存在。廣義相對論和量子力學都是經過長期檢驗的理論，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？馬克西米利安大學物理學教授吉亞？德瓦利認為他找到了解決方案。“黑洞是量子計算機，”他說，“我們有明確的信息處理程序?！比绻钦_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際意義。在未來，我們也許可以利用黑洞物理學來構建我們自己的量子計算機。

從黑洞中恢復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家約翰·惠勒所說，它們“沒有毛發(fā)”。 按照標準的論點，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。”他和他的合作者認為，引力子（迄今為止尚未發(fā)現(xiàn)的傳遞引力并構成時空的量子）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：量子效應不一定體現(xiàn)在很小的微觀世界。確實，量子效應的影響是脆弱的，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的原因。這也是構建量子計算機的主要挑戰(zhàn)，量子計算機使用粒子的量子態(tài)而不是傳統(tǒng)晶體管的開關邏輯來處理信息。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。創(chuàng)建黑洞的量子毛發(fā)所需的巨大距離和質量可能遠遠超出我們的實驗能力，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（以印度物理學家薩特延德拉？玻色和著名物理學家阿爾伯特？愛因斯坦的名字命名）——是目前建造可行的量子計算機最有前途的工具之一。玻色—愛因斯坦凝聚體中的量子效應，好像同時在兩個地方的能量，可以擴展到整個凝聚體，產生許多互相關聯(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，關鍵是假設黑洞本質上是由經過玻色-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論。在霍金首次提出他的謎語后，多年來，物理學家們對黑洞的信息有了更多的了解。理論學家已經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。為了像黑洞一樣，凝聚體必須停留在一個轉變點——即所謂的量子臨界點，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，但我認為這是非常有力的證據(jù)——數(shù)學證據(jù)，黑洞真的是玻色-愛因斯坦凝聚體。

將黑洞與一種能在實驗室中產生的物質聯(lián)系起來，意味著可以通過實驗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驗。他把原子聚集在“光晶體”——通過多個交叉激光束產生的光學晶格之中，然后使用一種稱為熒光成像的技術拍攝凝聚體的快照。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域，但是很有意思，引人入勝。“我對德瓦利的建議感到非常興奮，我認為這是一個非常新的東西。”布洛赫說?！叭藗円呀浻^察到了與凝聚體相互作用的崩塌動力學，但是到目前為止還沒有人研究過量子臨界點以及那里發(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-愛因斯坦凝聚體通常看起來好像瑞士奶酪的原因，”布洛赫說。但是通過施加磁場，可以改變原子相互作用的強度，從而將它們引入有序的晶格中。讓原子強烈地相互作用，然后進入非常有序的“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，旋轉它們，并改變自旋，從而進行編碼和處理信息。

根據(jù)德瓦利的想法，黑洞物理學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?？梢哉f，黑洞是物理學家所知道的最簡單、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)議應該是在基于凝聚體的量子計算機中存儲信息的最佳方法。

布洛赫說，在實驗室中創(chuàng)建一個模擬黑洞的凝聚體似乎可以做到?！霸谝粋€黑洞中，相互作用的強度會自我調整。我們可以通過將相互作用的強度調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，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。”

實現(xiàn)德瓦利的想法是可能的，卻并不一定意味著它是實用的。布洛赫說：“現(xiàn)在，我對此有更多的懷疑而不是信仰?！彼€指出，有效的信息存儲固然好，但對于量子計算機來說，信息容量目前不是問題。他認為最大的挑戰(zhàn)是找到一種方法來操縱德瓦利已經確定的量子態(tài)——數(shù)據(jù)處理，而不是數(shù)據(jù)存儲。另外還有其他的實際障礙。“我們不清楚的還有很多因素，例如噪音，它能夠抵抗噪音嗎？我們不知道。”布洛赫說?！皩ξ襾碚f，更有意思的方面是與引力物理學的聯(lián)系。”這里的含義遠遠超出了信息存儲。

德瓦利關于引力與凝聚體物質之間存在聯(lián)系的研究，為實驗研究開辟了全新的領域。按照愛因斯坦的傳統(tǒng)，物理學家一般認為彎曲的時空是物質及其相互作用的舞臺。但現(xiàn)在幾個獨立的研究方向表明，時空可能并不像我們想象的那樣微不足道?？雌饋恚梢詠碜苑且ξ锢韺W領域。

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)的關系使物理學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家能夠探索那些實驗無法進行的區(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，但人們已經測量了其通過玻色-愛因斯坦凝聚體模擬的黑洞。當然，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)學定律。因此，在某種意義上，冷凝體可以進行復雜的，甚至是難以處理的物理計算。

“我們喜歡談論‘量子模擬，并嘗試使用這些系統(tǒng)來尋找在經典計算機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>

應用黑洞物理學開發(fā)量子計算機的新協(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?、宇宙學家斯特凡·霍夫曼說道。

斯特凡·霍夫曼花費了大量的時間來探索黑洞是引力子凝聚體這一觀點的觀測結果?！昂诙礋o毛發(fā)定理可以說是不正確的。”他同意德瓦利的觀點?；舴蚵J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），其方式應該是可以檢測到的。霍夫曼在2015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院和麻省理工學院的合作實驗室——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，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驗上得到檢驗。然而，黑洞是引力子的量子臨界凝聚體、相當于玻色-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際發(fā)生了什么。斯特凡·霍夫曼也承認，目前還不清楚這個物體是如何融入傳統(tǒng)意義上的“黑洞”， 因為它不能再在我們熟悉的廣義相對論框架內被描述。

來自法國馬賽大學的卡洛·羅維利認為，即使形式不完整，德瓦利關于黑洞作為凝聚體的想法在科學上也是有用的?！八鼈円苍S在某種程度上是相符的，特別是在長波范圍內。對于時空的低頻量子波動，這可能并不荒謬。”羅維利說。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識到且非常富有成果的關系。德瓦利說：“我們在量子信息和黑洞物理學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模湟饬x是十分驚人的。信息確實永遠存在，從這個意義上講，我們都是不朽的。銀河系中心的超大質量黑洞，也可能是一個宇宙量子計算機。