亲手创造黑洞、搭建虫洞:他们要在实验室里,解释黑洞最神秘的行为

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2020年3月13日15:41:38 评论浏览:66
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现在,一项野心勃勃的实验正在开展。实验首先要选取一个黑洞,然后再制造一个和其具有量子纠缠的黑洞。这意味着,无论这两个黑洞距离多么遥远,当任何事情发生在其中一个黑洞时,另一个黑洞也会受到影响。

将一些编码成量子颗粒的信息送到第一个黑洞,这一部分听起来很简单,但似乎又很奇怪。当这些信息经过事件视界(连光都不能逃逸的位置)时,这些信息会迅速随着坠入黑洞而被破坏,几乎不可能再接收到信息。

但是不用着急,如果你将两个黑洞正确地连接到一起时,只需要一会这些量子信息就会出现在第二个黑洞中,并且能够被完全读取出来。要实现这一目标,实验需要一个能连接两个黑洞的时空捷径,那就是虫洞。

至少,物理学家预测这是能发生的。现在,来自加州理工学院的Sepehr Nezami团队提出了实现这一目标的实验计划,并且正与相关同事一起测试他们的想法。如果他们能证实之前的预测,那么这项工作就能引导物理学家寻找物理学中最难理论的答案:一个可以将量子理论和描述引力的广义相对论结合的理论。除此之外,这项理论还能支持另一种想法,即时空是由粒子通过量子纠缠作用,交织在一起产生的。

信息悖论

正如你预期的那样,这个实验用不上通常意义上的黑洞,比如超大质量恒星由于自身引力坍缩形成的超小体积黑洞。研究人员表示,这个实验只要在仪器上使用几个原子或者离子就能完成。同时,这项实验也能解决一个黑洞中悬而未决的问题,那就是黑洞摧毁信息的过程是不可逆的吗?

目前人们普遍认为,包括能量在内的信息需要遵循守恒定律,即宇宙中所有信息的总量应该是固定不变的。这也如同量子理论所阐述的一样,用于描述量子的波函数通常都是平滑演化的,这能保证信息完好地保存而不会突然消失。

但黑洞看起来确实正在从宇宙中移除信息,当一个量子比特坠入了黑洞,那么在事件视界之外是不能再被观测得到的。

想要解决这种“黑洞信息悖论”,其中一种办法就是寻找从事件视界释放出来的辐射。斯蒂芬·霍金曾于上世纪七十年代预测,“霍金辐射”会使得黑洞失去质量。这种情况下,黑洞并不是永恒的,它们会缓慢地蒸发殆尽。

霍金一开始认为,即使黑洞通过这种形式最终蒸发消失了,它所吞噬的信息也不会再回来。但是反德西特时空/共形场论对偶(AdS/CFT对偶)指出,霍金辐射中的光子能够编码一些反映黑洞内部的信息,这样来说,大部分信息其实又返回到了宇宙之中。

AdS/CFT对偶理论是由理论物理学家胡安·马尔达西那(Juan Maldacena)于1997年提出来的,其被认为是能为探索量子引力理论指引方向最有潜力的理论之一。马尔达西那对偶理论认为,在四维空间中的时空结构,等价于在三维边界上的量子理论。

这种联系有点奇怪和深奥,但又非常让人惊讶。该理论指出,如果你通过带有特殊曲率(或者说引力)的反德西特空间构建时空(即Ads部分),那该时空的数学描述和量子领域中共形场论(即CFT部分)在低一个维度的描述是一致的。换句话说,这种一致性更像一种全息投影,即高维度的时空信息是由低纬度的量子交互所编码的。这种“全息理论”是由诺贝尔奖获得者Gerard ’t Hooft首次提出的,而马尔达西那提出的AdS/CFT对偶则让人首次看到了时空运作的另一种奇特形式。

那么从这种观点看来,在反德西特宇宙中的连续空间可以在共形场论的量子纠缠中显现出来。马尔达西那表示,“时空应该在一个充满量子比特的系统中出现,在这个系统中量子会高度的纠缠和相互作用。”换言之,量子纠缠能产生一个能拥有引力的时空。因此,你也可以说,引力会从量子效应中快速产生。

量子加扰

那么这些理论和黑洞有什么关系呢?黑洞信息难题主要就是想知道进入黑洞的信息究竟发生了什么。AdS/CFT对偶则是解答该难题的关键,因为它支持了量子纠缠可以反映霍金辐射信息的想法,这样信息不会永久地消失。

2004年,在假设AdS/CFT对偶理论成立的基础上,霍金认为我们能够通过捕捉黑洞寿命周期中每一个来自霍金辐射的光子,以此来恢复信息。美国加利福尼亚大学伯克利分校的Norman Yao解释道,“假设你是上帝,当你收集了所有的霍金辐射光子后,即使不用上帝能力,也能通过量子比特来计算获得信息。”

直到黑洞蒸发一半的时间点之前,里面的信息是无法破解的。但过了这个临界点,黑洞就会开始通过霍金辐射开始显现其中的信息。因此,在可以获取信息前,我们需要等待很长一段时间。而根据阿尔伯塔大学物理学家Don Page于1993年提出的假设,信息会以一个不变的速率释放出来。

但在2007年,Patrick Hayden和John Preskill对此描述进行了修订,他们指出,实际上在超过了一半的时间点后,信息释放的速度要快很多。更奇怪的是,一旦黑洞蒸发超过一半,当更多量子比特信息进入黑洞时,“几乎会立即反弹回来,”Yao表示。这是因为到了这个阶段,黑洞与释放出来的霍金辐射之间成为了一种量子纠缠状态,这意味着黑洞吞噬进去的信息会立即高效地转变成接下来要释放出的辐射。Hayden和Preskill表示,“此刻开始,黑洞就表现得像一面带有信息的镜子。”

Hayden和Preskill也认为黑洞热力学和量子信息理论之间的联系可以激起一种被称作量子加扰的现象。这种现象就好比将热量均匀分布到一个系统中,最终达到平衡。你可以想象一下创造两个包含能量的系统,让它们互相接触。接着两个系统中的能量会相互传递,直到它们无法恢复到一开始的状态,你也无法将它们区分开来。

量子加扰本质上也是相同的,但是要更强。即使你能观察两个加扰系统的联系,你仍然无法区分两个加扰系统。“加扰就好比一种非常强的热平衡化,”Yao表示,“这让量子信息不再局限在某个区域。”

“这种现象可以比作量子洗牌,”斯坦福大学的物理学家Adam Brown说,“假如你拿了一副有序的扑克牌,当你洗牌了之后,里面有没有任何可以模式可以描述这些卡牌了。但这不是说你赋予了整副卡牌完全的随机性,而只能说这些卡牌充分的搭配混合,想要判断它们不是随机的会非常复杂。这比天然的随机性发生要更快。”

“几乎所有的多体量子系统都会逐渐走向加扰,”他补充道。但是黑洞是特殊的。整副牌的洗牌速率完全由你的洗牌技术来决定,量子系统的加扰率也完全依赖粒子相互作用的细节条件,而这些细节在数学上由哈密顿算子来描述。而当哈密顿算子运用在黑洞中时,就意味着这些细节会让量子信息以最快的速度加扰。

而这也就引导出了Hayden 和Preskill所研究出的的结论,黑洞就像一个快速量子加扰回路一样运作,一旦它和自身的霍金辐射相互纠缠时,任何进入黑洞的新信息就会马上出现在辐射之中。

同样,你就必须得等到黑洞开始和霍金辐射纠缠得足够充分才能获取信息,而这个节点就是黑洞蒸发到一半的时候。

但是其实还有另一种能更快获取信息的方法:让黑洞和其它的物体进行最大程度的纠缠,比如另一个黑洞。这是哈佛大学的Ping Gao 和Daniel Jafferis于2006年所提出来的想法,他们俩也曾与普林斯顿大学的Aron Wall一起合作。如果能以这种方式让一对黑洞相互纠缠,那么第一个黑洞所吞噬的量子比特将会出现在第二个黑洞中。Gao和同事们也进一步提出,这种纠缠能在两个黑洞之间传输量子信息。这也等同于常说的量子隐形传态,当这种过程发生在两个纠缠粒子之间时,可以将一个粒子的量子态传输给另一个粒子。被传输的粒子会和传输源粒子看起来一模一样,实际上,你都无法判断它们不是同一个粒子。“两者之间的纠缠就像信息之间的桥梁一样,”Yao表示。

如果AdS/CFT对偶理论是对的,那么这些实验就不只是一些实验室类比黑洞的操作,而是能够等同于真实黑洞系统的。

“动态黑洞中的系统能够允许时间维度上的隐形传态速度达到最快,”Yao解释道。这是因为进入任何一个黑洞的信息都会迅速地与其中的所有粒子共享,而这些粒子又与第二个黑洞相互纠缠,所以第二个黑洞也能以最快的速度获取信息。

量子隐形传态已经用实验展示了很多次,并且已经用于量子设备之间加密信息的传输。但是,它不能即时地传送信息,因为信号没有解码,看起来是随机的,它仍然需要一些传统机制上的额外信息。这就意味着这些信号不能超光速传输。“这就是为什么Gao和他的同事们想要让黑洞配对,除了让两个黑洞纠缠,还需要一些其他方法的原因,”曾经在Hayden实验室的博士生Nezami表示,“在纠缠的帮助下,两个黑洞间可以传输关键的传统数据,从一个黑洞向另一个传输信号。”

至少在量子信息理论学家看来,这一过程是这样的。但根据AdS/CFT对偶理论基于广义相对论的描述,两个黑洞之间由于相互纠缠而形成的通道,应该与在时空中连接两个黑洞的虫洞是相同的。从这个观点来说,量子比特进入一个黑洞后,会沿着虫洞进入另一个黑洞。

通常情况下,广义相论允许的虫洞被认为是不能穿越的,你不能在虫洞间传输任何东西。但是Gao,Jafferis和Wall就展示出,量子信息理论和隐形传态如何能被用于制造一个可穿越的虫洞

设计实验

在AdS/CFT对偶理论成立的情况下,客观来说就能允许剧烈的变化。理论上,研究人员可以通过以正确地方式来纠缠量子回路,来建立一个与连接着虫洞的黑洞一样的系统,这样就能在两者之间传输量子比特。

Nezami和Brown同斯坦福大学、马里兰大学和其它科研机构一起想出了实现该设想的计划。想要让一群量子粒子像黑洞一样运作,只需要在它们的相互作用中分配一个哈密顿算子,能让它们拥有极快的加扰速率。

其实,量子加扰在去年才首次以非模糊的方式展示出来。在采纳了Yao等人的实验计划后,马里兰大学的Christopher Monroe和他的同事利用电捕获离子(量子态是纠缠的)构建了一个量子回路。在现实系统中,一些无规则的过程是很难观测到加扰现象的,比如经典噪声和量子退相干。就像加扰一样,量子退相干也是从粒子的相互作用和随之发生的纠缠中产生的,这种情况下,环境中的粒子会围绕着量子系统。随着退相干过程,信息会泄漏到环境中最后丢失掉。由于我们不能完全避免量子退相干,因此这也成为了量子计算机的一大困扰:任何量子计算必须在量子退相干损坏信息之前完成。

一般来说,量子退相干要比量子加扰发生得更快,因此我们很难清晰地观测到后者。Monroe团队则想到了区分两种现象的方法,首先让7对镱离子排成一排,然后组成回路,此时每一个离子像一个量子比特运作,然后再将两个量子隐形传态算法编码到这个回路中。那么在量子计算中,这一过程就会将单个的量子比特从一排离子的末端传到另一排。为了检测量子加扰的速率,研究人员会根据算法向前或反推的演化来比较隐形传态过程。

在没有量子加扰的情况下,这两种演化过程是相联系的。但随着量子加扰开始散布那些一开始编码在其它量子比特中的信息,朝前和反推的计算结果相关性就会越来越低:整个系统已经改变了它的原始状态,因此量子隐形传态是不能精确地反推实现的。“但如果两个过程具有相关性,那就说明几乎没发生什么事情,”Monroe表示,“但量子加扰的出现,会让这种相关性逐渐变成0。”这也是他们随着时间变化所观测到的。

Brown和同事认为,像这样的量子回路就能用来构建Gao,Jafferis和Wall所想的那种可穿越虫洞。在Brown等人设想的版本中,两个黑洞都只需要几个量子比特组成,这样能最大程度地彼此相互纠缠。他们计划往这两组量子比特中引入更多的相互作用,这样就能满足Gao等人在量子隐形传态中需要的额外通道。

直觉告诉我们,用电磁捕获的少数离子不可能和一颗连光都无法逃脱的坍缩恒星一样。但这也是最让人震惊的,如果AdS/CFT对偶理论是对的,那么这些就不再是实验室的黑洞类似物,这些系统与黑洞就是相同的。在反德西特空间中,这些离子就会和一些极小的黑洞看起来一样。

新的联系

Swingle在去年10月和Monroe的一次对话中,也描述了他的类虫洞量子回路。Monroe认为这种回路多少就类似他们曾用来展示量子加扰的回路。Monroe也曾注意到Hayden和Preskill想要利用量子纠缠从黑洞中恢复信息的想法,但他表示他的团队仅仅选用了他们的回路来展示量子加扰,并没有考虑它和引力之间的联系。

如果Swingle和同事修正过的量子回路能被建造出来,那么就能更直观地展示Monroe所预测的效应。这能实现吗?“那是肯定的,”Monroe说。科学家有望看见,当一个量子比特的信息被一个黑洞类型的量子系统吞噬,并看起来消失时。它又会在一段时间后,在没有被加扰的情况下经过虫洞出现在另一组量子系统中。让人惊讶的也不是信息在两个系统中成功传输了,而是信息能以可读的形式再次出现了,尽管信息在第一个黑洞中经历了完全的加扰。

到了这一阶段,这些使用量子回路的实验就有望创立一个由广义相对论描述的简单时空模型。“如果目标是获得一个爱因斯坦方程主导的时空,”Maldacena说,“那么能产生这个时空的系统将会非常特殊,并且就会在实验室里被制造出来。”但是他也补充道,“所有这些科学家都是为了能创建一个足够复杂的系统,让里面能有一些引力的特征,现在确实有望实现。”

如果这些实验的结果与预期相同,那么是否也就说明了AdS/CFT对偶理论是正确的呢?这就仁者见仁智者见智了。对这些量子回路的理论分析中,还没有一个回路能完全符合标准量子理论。但其实这是一种更简单和经济的方式来描述引力:一条虫洞通道。“尽管你能用薛定谔方程来解释这些现象,但是还有着更简单的解释来描述黑洞,”Brown说。

Swingle也问到,是不是物理学的目标就是寻找这样一个经济的描述方法,并且用其来解读现实呢?比如,你可以用电子波函数来描述超导现象(另一种量子现象)。但实际上用准粒子来描述超导就要简单很多,在这里相当于将成对的库珀对比作了纠缠的电子。既然我们没有质疑准粒子的真实性,那么我们为什么回去否认量子比特虫洞的真实性呢?

就此而言,“在观测原子时,我们可能学习到了和原子无关的东西,而黑洞也是一样,”Monroe说。他们更有野心的目标是利用多量子比特系统来揭示时空的属性。“如果能完成这些实验,我们就可能创立更加复杂的纠缠系统,也可以在量子系统中检测多方位的时空起源,”马尔达西那说。

而对于这些实验的前景,Swingle说他正和许多实验学家讨论,将量子加扰回路应用到上面这些前卫和激进的想法中,尽管目前还需要更详实的计划。但能有这些对话就已经是一个新的里程碑了,“在这里,研究量子引力的理论物理学家会和研究实验原子的物理学家进行讨论,”Brown说,“就迄今为止的物理研究分类来讲,这两个研究方向已经相隔非常远。因此这是一种新现象,也是一种好现象。”

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  • 本文由 发表于 2020年3月13日15:41:38
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