量子信息和量子糾纏對于我們理解黑洞的本質(zhì)具有重要意義，通過應(yīng)用量子信息的概念，我們對于黑洞原有的認(rèn)識正在發(fā)生深刻的改變。最近在Nature上，NormanYao團(tuán)隊(duì)在量子電路中成功的模擬了黑洞對于信息的擾亂行為。這一重要工作似乎預(yù)示了對于黑洞本質(zhì)的探索也需要實(shí)驗(yàn)學(xué)家們的努力。

 

　　有朝一日，糾纏的量子比特，可能會允許我們探索黑洞內(nèi)部的神秘世界，就如這幅藝作品所展示的那樣。

 

　　物理學(xué)家使用一臺7－量子比特的量子計(jì)算機(jī)，模擬了黑洞內(nèi)部信息的擾亂（scrambling）操作。這預(yù)示著人們可以用糾纏的量子比特來探測黑洞這一奇異物體神秘的內(nèi)部。

 

　　擾亂發(fā)生在物體消失于黑洞內(nèi)部的時(shí)候，附著在物體上的所有信息，從它所有組成成分的特征，到組成它的基本粒子的能量和動(dòng)量，都和黑洞內(nèi)部其它的物質(zhì)和信息雜亂無章的混合起來，看起來我們不可能再重新得到它。

 

　　這導(dǎo)致了所謂的黑洞信息悖論，因?yàn)榱孔恿W(xué)說信息從來不會丟失，即使在信息消失進(jìn)黑洞的時(shí)候。

 

　　因此，有些物理學(xué)家聲稱掉入黑洞事件視界的信息永遠(yuǎn)的消失了，也有一些其他科學(xué)家聲稱信息可以被重構(gòu)出來，但是要等上很長一段時(shí)間-----直到黑洞縮小到它原來的一半的時(shí)候。黑洞縮小是由于霍金輻射引起的，而霍金輻射是由黑洞邊緣的量子漲落引起的，它得名于物理學(xué)家斯蒂芬霍金。

 

　　不幸的是，一個(gè)太陽質(zhì)量大小的黑洞要花1067年來蒸發(fā)掉，比宇宙的年齡要長的多。

 

　　我們能夠從黑洞中提取信息嗎？我們可以做一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)。假設(shè)有一個(gè)物理學(xué)家Alice，把一個(gè)量子比特丟進(jìn)黑洞中，然后問Bob是否能夠通過輻射出來的霍金輻射重構(gòu)出這個(gè)量子比特。

 

　　而其實(shí)，這里有一個(gè)“漏洞”----即存在一個(gè)蟲洞，通向這個(gè)黑洞的外部。通過測量黑洞和它輻射出的霍金輻射之間微妙的糾纏，我們能夠更快速的重新獲得這個(gè)掉入黑洞的信息。

 

　　量子計(jì)算機(jī)中的兩個(gè)量子比特，當(dāng)他們糾纏時(shí)，他們是緊密聯(lián)系在一起的，一個(gè)比特的量子態(tài)自動(dòng)的決定另外一個(gè)的量子態(tài)，不論它們離得有多遠(yuǎn)。物理學(xué)家稱之為“鬼魅般的超距作用”，對于糾纏的量子比特的觀測可以導(dǎo)致量子信息從一個(gè)量子比特傳到另一個(gè)。

 

　　“通過對于向黑洞外傳播的霍金光子做一個(gè)繁難的量子計(jì)算，我們可以重構(gòu)出一個(gè)掉入黑洞的信息。”諾曼·姚（NormanYao）說，他是加州大學(xué)伯克利分校的助理教授，并且是勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家。“這一計(jì)算被認(rèn)為是非常非常困難的，但是只要我們相信量子力學(xué)是對的，那么原則上，它是可能的。這正是我們正在做的事情，不過這里我們是在這個(gè)七比特的量子計(jì)算機(jī)中對由三個(gè)比特組成的小“黑洞”來做的。

 

　　通過將糾纏的量子比特扔進(jìn)黑洞，然后研究其出現(xiàn)的霍金輻射，你可以在理論上確定黑洞內(nèi)部的一個(gè)態(tài)，這給黑洞內(nèi)部這一通常意義上的深淵之地打開一扇窗。

 

　　姚是現(xiàn)伯克利量子算法實(shí)驗(yàn)室的成員，他和他在馬里蘭大學(xué)以及在圓周物理研究所的同事們，將會在3月7號Nature雜志上出現(xiàn)的一篇文章中匯報(bào)他們的結(jié)果。

 

　　傳態(tài)

 

　　姚的研究興趣是理解量子混沌的本質(zhì)。他從他的同事兼好友，圓周研究所的一個(gè)理論學(xué)家吉田紅（BeniYoshida）那里學(xué)到了一件事，即如果信息編碼在黑洞內(nèi)部被“擾亂（scrambled）”的足夠快的話，重構(gòu)出掉進(jìn)黑洞的量子信息是可能的。信息在黑洞中混合的越徹底，越能夠通過量子傳態(tài)的方法來重新獲得這個(gè)信息。基于這個(gè)觀點(diǎn)，吉田和姚在去年想到了一個(gè)描述量子計(jì)算機(jī)的“擾亂”的實(shí)驗(yàn)。

 

　　由馬里蘭大學(xué)的物理學(xué)家構(gòu)建的七比特量子計(jì)算機(jī)電路，這個(gè)電路用量子傳態(tài)來檢測信息的擾亂。它和通過一個(gè)可穿越蟲洞來實(shí)現(xiàn)信息傳輸是相似的，可以允許Bob來定出Alice扔進(jìn)黑洞的量子態(tài)。

 

　　“通過我們系統(tǒng)的協(xié)議，如果你測量到一個(gè)保真度足夠高的量子傳態(tài)過程，你就能確定在量子電路中發(fā)生了一次擾亂。”姚說，“然后，我就打電話給了我的伙伴，ChrisMonroe。”

 

　　Monroe是馬里蘭大學(xué)帕克分校的物理學(xué)家，他領(lǐng)導(dǎo)了一個(gè)世界領(lǐng)先的離子阱量子信息實(shí)驗(yàn)組。他決定試一試這個(gè)想法，于是他和他的團(tuán)隊(duì)做了吉田和姚提出的這個(gè)方案，然后高效地測量了非時(shí)序關(guān)聯(lián)函數(shù)（OTOC）。

 

　　OTOC這個(gè)奇怪的關(guān)聯(lián)函數(shù)是在施加一定的驅(qū)動(dòng)或微擾之后比較不同時(shí)刻的兩個(gè)量子態(tài)而得到的。其重點(diǎn)在于其能夠在時(shí)間上向前和向后演化一個(gè)量子態(tài)，用以理解第二個(gè)擾動(dòng)對第一個(gè)擾動(dòng)的影響。

 

　　Monroe的實(shí)驗(yàn)組在一個(gè)七比特的離子阱量子計(jì)算機(jī)上創(chuàng)造了一個(gè)三比特的量子擾碼電路，然后得到了OTOC的耗散行為。盡管OTOC的耗散是擾亂發(fā)生的一個(gè)強(qiáng)烈特征，但為了證明這一點(diǎn)，還需要說明這個(gè)耗散不是由退相干產(chǎn)生的簡單耗散——即它不是因?yàn)闆]有做好系統(tǒng)和外界環(huán)境噪音的隔離而產(chǎn)生的。

 

　　姚和吉田證明了，它們能夠獲得的糾纏或者傳輸?shù)男畔⒌臏?zhǔn)確度越高，他們越能夠?qū)Τ霈F(xiàn)在OTOC中的擾亂的程度給一個(gè)嚴(yán)格的下限。這是因?yàn)?，如果一個(gè)信息從一個(gè)原子到另一個(gè)原子之間成功地通過量子傳態(tài)傳輸了，這就意味著第一個(gè)原子的態(tài)在所有原子之間都傳播了，而這只有在信息發(fā)生擾亂時(shí)才會發(fā)生。當(dāng)然，如果信息丟失了，量子傳態(tài)將不會成功。對于一個(gè)任意的，我們不知道具體發(fā)生的擾亂是什么的過程，這個(gè)方法可能被用來檢驗(yàn)量子比特是否被擾亂或者被擾亂了多少。

 

　　Monroe和他的同事測到的傳輸?shù)谋Ｕ娑戎辽贋?0%，這意味著可能一半的量子態(tài)都被擾亂了，而另外一半由退相干而衰減。但至少，它也足夠說明擾亂在這個(gè)3-比特量子電路中的確發(fā)生了。

 

　　“我們的協(xié)議的一個(gè)可能的應(yīng)用與量子計(jì)算機(jī)的標(biāo)志問題緊密相關(guān)，或許可以用這個(gè)技術(shù)來判斷更復(fù)雜的不同類型的噪音和量子處理器中的退相干。姚說，判斷噪音對量子模擬的影響的能力是創(chuàng)造更好的糾錯(cuò)算法，以及通過目前的有噪音量子計(jì)算機(jī)得到更精確答案的關(guān)鍵。

 

　　姚還與IrfanSiddiqi領(lǐng)導(dǎo)的來自伯克利的研究組合作。Siddiqi是加州大學(xué)伯克利分校，來自伯克利實(shí)驗(yàn)室的一位物理學(xué)家，他正在努力構(gòu)建一個(gè)先進(jìn)的量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)平臺。他們一起研究另一個(gè)不同的量子系統(tǒng)“超導(dǎo)量子三態(tài)（superconductingqutrits）”的擾亂。而量子三態(tài)是一個(gè)有著三個(gè)態(tài)而不是兩個(gè)態(tài)的量子比特。

 

　　“從本質(zhì)上講，這是一個(gè)量子比特或量子三態(tài)實(shí)驗(yàn)，但事實(shí)上我們可以將它與宇宙學(xué)聯(lián)系起來，因?yàn)槲覀兿嘈牌渑c量子信息的動(dòng)力學(xué)是相同的，”他說。“美國正在推出一項(xiàng)價(jià)值數(shù)十億美元的量子項(xiàng)目議案，理解量子信息的動(dòng)力學(xué)可以將這項(xiàng)議案的許多研究領(lǐng)域聯(lián)系起來，比如量子電路和量子計(jì)算，高能物理，黑洞動(dòng)力學(xué)，凝聚態(tài)物理，以及原子、分子和光物理。量子信息已經(jīng)成為我們理解所有這些不同系統(tǒng)的普遍語言。

 

　　Monroe說：“不論真實(shí)的黑洞是不是一個(gè)好的量子比特?cái)_碼器系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)室研究量子擾亂可以給量子計(jì)算和量子模擬的未來發(fā)展提供一個(gè)有用的啟發(fā)。”