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黑洞是宇宙级量子计算机?信息或将不朽

2016-04-29 07:50 大数据实验室
本文经机器之心(微信公众号:almosthuman2014)授权转载,禁止二次转载



选自Aeon


作者Sabine Hossenfelder

机器之心编译出品

参与:李九喻、Joyce、chenxiaoqing、泊雨、王紫薇、周亮


在你死后,你身体的原子会离散并寻找新的地方,进入海洋,树木和其它物体里。然而根据量子力学的规律,所有关于你身体构建和功能的信息都将被保存下来。那无数个组成你的原子之间的关系将会以一种无法辨认的混乱形式保存下来——这些关系在现实意义上已逝去,在原则上却不朽。


这个令人宽慰的概念只有一个明显例外:根据我们目前的物理理解,信息无法在黑洞中存活。四十年前,史蒂芬·霍金证明黑洞足以摧毁信息。落入黑洞的物体将从宇宙消失。它最终作为名为 「霍金辐射」 ( Hawking Radiation ) 的粒子风出现,从黑洞的外在物理边界——视界 ( Event Horizon ) 漏出。这样下来,黑洞慢慢蒸发,并且在过程中删除黑洞形成的所有信息。霍金辐射仅携带物质坍塌前总质量,电荷和角动量的数据;其它落入黑洞的细节则无处可寻。



霍金发现的黑洞蒸发是理论物理学家面临的巨大难题:广义相对论认为黑洞必须摧毁信息;量子力学认为这不可能,因为信息必须永远存在。广义相对论和量子力学都是经受了验证的理论,但在这个问题它们却拒绝统一。这一冲突揭示的是比黑洞的看似古怪的特征更基本的问题:信息悖论表明,物理学家仍然尚未弄清大自然的基本定律。


不过来自慕尼黑德维希 -马克西米利安大学的物理教授 Gia Dvali 相信,他已经找到了解决方法。他表示:「黑洞是量子计算机。我们面对的是明确的信息处理序列。」 如果他是正确的,那么悖论将被消除,而信息确实是不朽的。但更令人吃惊的也许是概念背后的实际意义。我们也许可以通过黑洞物理建立自己未来的量子计算机。


信息在黑洞中难以恢复的主要原因是,它们基本是无特征的类球状体,在视界上没有物理属性;正如已故的美国物理学家约翰·惠勒所言,它们「无发丝」 ( No Hair )。标准论点表示,你不能把信息储存在没有特征以供编码的东西上。而这是错误的。Dvali 说:「所有认为黑洞无发丝的定理都是错的。」他和同事们认为,迄今为止尚未被发现的承载引力并且组成时空的量子—— 引力子在黑洞中无处不在,而它们产生了储存和释放信息的「量子发丝」(Quantum Hair) 。


这项新研究建立在量子理论的一个反直觉特征上:量子效应不一定只在微观尺度上存在。的确,这些效应很脆弱,并在像地球这样温暖和繁忙的环境中会迅速被消灭。这是为什么它们不常见的原因。这也是开发量子计算机的主要挑战:它使用粒子的量子态处理信息,而非同传统晶体管的开关逻辑。不过在寒冷和与世隔绝的地方,量子行为可以长距离保持,足以横跨几十到数十亿公里的黑洞视界。


你甚至不需要到外太空才可以见证到长距离的量子效应。黑洞量子发丝所需的超大距离和质量让制造一个黑洞量子发丝超出了我们的实验能力,但是通过将原子冷却至低于一万分之一开氏度(即比绝对零度高万分之一开氏度),研究员将十亿个原子——延伸在数毫米的范围里——凝聚至单一量子态。对集体量子行为来说,这已是个巨大的数目。


如果黑洞本质上是一个凝聚的引力的水坑,那么霍金的信息谜题会找到一个自然的解决方案。


这样的一个宏观量子状态——即玻色–爱因斯坦凝聚(Bose-Einstein condensate),以印度物理学家 Satyendra Bose 和 Albert Einstein 命名——目前是创造可行量子计算机最有前景的工具之一。玻色–爱因斯坦凝聚中的量子效应,例如可以同时存在于两个地方的能力,能够穿过整个凝聚,并生成许多互相作用的状态。如果研究员能够稳定凝聚态并控制这些状态,极其强大的信息处理能力将成为可能。不仅如此,玻色–爱因斯坦凝聚还可能揭开盘桓数十年的黑洞信息蒸发之谜。


Dvali 指出,如果黑洞由经历玻色–爱因斯坦凝聚的引力——即凝聚的引力的水坑——所组成,那么霍金所提出的信息谜题也许可以找到一个自然解决方案。这个想法也许听起来疯狂,但是对于 Dvali 来说,这是一个有着完美逻辑的结论,它凝结了自从霍金第一次抛出了谜题以来许多物理学家对于黑洞的研究。理论学家知道如何计算黑洞能够储存的信息量大小:他们还发现了黑洞可以迅速地重新分配或「搅乱」信息。最终,他们计算出了信息该以多快的速率逃离黑洞才能避免与量子力学的冲突。


从2012年开始,Dvali 探索了这些不同的特性,并惊讶地发现一种特殊的玻色–爱因斯坦凝聚具有与黑洞相同的基本特征。为了模仿黑洞的行为,凝聚必须停留在一个过渡点——也称为量子临界点——在这个点上扩散的波动正好在量子坍塌之前跨越流体。Dvali 计算过,这样的量子临界凝聚态与黑洞有着相同的熵、搅乱能力以及释放时间:它正好有着正确的量子发丝。他说道:「有人会说这是一个巧合,但是我认为它是最强力的数学证据——黑洞其实就是玻色–爱因斯坦凝聚。」


将黑洞与一种实验室能够创造出来的事物联系起来,这意味着 Dvali 的想法的某些方面可以在实验中进行研究。Immanuel Bloch 是慕尼黑普朗克研究所的物理学教授,他有关于玻色–爱因斯坦凝聚的第一手经验。他在「光晶体」——通过多个激光束的相交制造出的光学格子——中凝聚原子,然后利用一种叫做荧光成像的技术捕捉凝聚态。结果图像非常优美地揭开了原子的相关量子行为的秘密。


Bloch 认为,Dvali 的想法虽然来自与他完全不同的领域,却也非常有趣。「我对Gia 的提议感到相当兴奋。我觉得那是很新的东西,」Bloch 表示,「人们已经观测到相 互作用的凝聚体的坍缩动力过程,但迄今为止,没有人研究过量子临界点,以及那里会发生什么。」


「在BEC(玻色-爱因斯坦凝聚态)中,你能看到宏观的量子波,这就意味着量子数有大量波动。这就是为什么,一般来说 BEC 看起来就像瑞士奶酪。」他补充道。不过,要是加入磁场,Bloch 就能改变原子相互作用的强度,这样就能诱导形成有序的格子结构。「现在,你让那些原子发生强烈的相互作用,然后得到(非常有序的)Mott 态。这对量子计算来说是非常好的状态,因为形成了有规律的阵列。你还可以用激光照射这些原子,让它们旋转,改变它们的自旋(来编码和处理信息)。」


「Dvali 的想法跟学界现有的很多观点形成竞争。我倾向于怀疑而非相信。」


根据 Dvali 的说法,黑洞物理学揭露了一个更好地在 BEC 中储存信息的方式,即利用不同的量子态。黑洞是物理学家已知的最简单、最紧致、最有效的信息储存设备。因此,利用黑洞的编码协议可能是在以凝聚态为基础的量子计算机中储存信息的最好方法。


而在 Bloch 看来,在实验室里制造出模拟黑洞的凝聚态是可行的:「(在黑洞中)相互作用的强度会自我调节。我们可以模拟这样的情形,方法是把相互作用强度调节到凝聚态将要坍缩的临界点。随着你越来越接近量子临界点,涨落会变得越来越强烈。这样就能模拟黑洞的系统,能够研究关于量子涨落和非均衡状态的一切,只需在高空间分辨率下观察处于合适位置的凝聚态就可以了。」


然而,单单认识到 Dvali 的观点有成立的可能性,并不意味着它实际成立。「它和许多学界现有的许多观点相冲突。目前为止,我对该观点有更多的质疑而不是信心。」Bloch 说道。他同时指出,高效的信息存储是很好的,但是对于目前量子计算机来说,「信息的容纳能力并不是个问题。」他认为最大的挑战不是数据的存储,而是寻找到一种数据处理的方式,能单独控制 Dvali 定义的量子状态。除此之外,还有许多其他障碍。「关于 Dvali 的数据存储理论,有太多因素我们不了解了,比如它是否具有抗干扰性?」Bloch 写到。「对于我来说,更有趣的地方是在于这个理论对引力物理学的影响。」比起在数据存储方面,这个观点的意义更适用于引力物理学。


Dvali 对引力与凝聚态物理之间关系的研究,掀起了一股对新领域的实验研究的热潮。在传统的爱因斯坦理论中,物理学家普遍认为扭曲的时空只是作为物质存在和相互作用的一个场地。但现有几个相互独立的研究均表明也许时空并不是像我们想象的那样毫无作为。引力也许能从非引力物理中产生。


在过去的几十年,无数引力与某些流体之间的影响实验证明了有集体量子行为的系统能模仿时空扭曲,并且遵循爱因斯坦广义相对论中的那些公式。但是目前没有任何理论进路去探索,在假定时空是一个凝聚体的情况下能否完整地推导出广义相对论。甚至,人们还不能断定这种时空凝聚的状态是否存在。不过,这些新发现的关系仍然让物理学家们能够研究那些能够被原子凝聚态所模拟的引力系统。


用凝聚态来模拟引力需要物理学家们探索实验室以外的新领域,比如黑洞视界。虽然霍金射线从未在真实的黑洞被观测到,但在玻色-爱因斯坦凝聚实验的模拟黑洞中探测到了类似的射线。当然,这些凝聚体并不是真的黑洞,它们只能吸收声波,而不是光波。但是它们和真正的黑洞应该遵循着某些相似的数学定律。这些凝聚体也许确实在某种意义上进行着若换成其他方式则将十分复杂难解的物理运算。


「我们更爱讨论『量子模拟』,并用这些系统去寻找那些传统电脑难以模拟计算的有趣现象。」Bloch 说道,「我们同样致力于运用这些系统去测验其他的系统,例如模拟黑洞或希格斯粒子的二维度。」在2012年的自然日报中,布洛赫与他的同事发表了一篇实验报告,他们的量子模拟实验揭示了类似希格斯的粒子能同时在两个维度存在。这项技术原则上同样能用在研究玻色-爱因斯坦凝聚与黑洞的相似性上。


「虽然这么说不礼貌,但是说黑洞没有『发丝』的理论就是一堆垃圾。」


然而,运用黑洞的物理特性来建立新的量子计算机协议和判断黑洞天体是否真的是引力子的凝聚体是完全不同的两码事。在慕尼黑的 Dvali 的同事,理论宇宙学家 Stefan Hofmann 说:「如果没人能实验检验这个想法,我是不会关注它的。」


Hofmann 因此投入了许多时间,希望能探索的黑洞作为引力子凝聚体的可观察后果。Hofmann 同意 Dvali 的观点:「虽然这么说不礼貌,但是黑洞没有『发丝』的理论就是一堆垃圾。」 Hofmann 认为,黑洞水平面周围的量子发丝某种程度上改变了广义相对论的预言。当黑洞发射的引力波在形成和碰撞的时候这种改变尤其明显,应该可以通过手段探测到。「最理想的情况就是两个黑洞进行合并。」Hofmann 在2015年的一个研讨会中说道。而这种霍尔曼的理想情况出现了,LIGO 合作机构在最近宣布他们第一次测量到了从一对正在融合的黑洞中发射出的引力波。


虽然 Hofmann 和他的同事们尚未作出量化的预测,但是由于宏观的量子效应,Dvali 对信息丢失问题的解释应该很快就能被实验检测。然而,黑洞完全等同于玻尔-爱因斯坦凝聚,在量子临界凝聚引力子的观点又带来了许多新的问题。首先,Dvali 的计算无法解释那些落入黑洞中的物质到底发生了什么。同时,Hofmann 也承认了由于不再适用我们所熟悉的广义相对论框架,尚不清楚一个对象何以能成为传统意义上的「黑洞」。


来自马赛大学的 Carlo Rovelli 认为,尽管还不完善,Dvali 的黑洞凝聚观点还是很有科学意义的。「他们运用了苛刻的逼近算法,虽然这种算法可能在错过某些方面,但在一定程度上是可行的,特别在长波长的区域。对于低频率量子在时空上的波动,这种做法可能并不算荒唐。」 罗威利说道。他还提醒到,这个凝聚模型还是无法完全解释黑洞里到底发生了什么。


很明显的是,这个研究揭示了一种前所未见的、富有成果的物理关系。「我们对量子信息和黑洞物理特性之间的联系抱有极大的热情,这个问题是我们之前是从未讨论过的。」Dvali 说道。如果他是对的,将会对现有理念产生巨大的影响和冲击。信息确实永存。在这个意义上,我们是不朽的。位于银河系中心的超大质量黑洞,实际上是一个宇宙级量子计算机。





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