原作者：
Sabine Hossenfelder
法蘭克福高等研究院的研究員

想象你逝去之后，體內(nèi)的原子四逸而開、各覓歸處，融入海洋、森林以及其他實(shí)體之中。但其實(shí)根據(jù)量子力學(xué)，所有關(guān)于你身體組成和功能的信息仍將持續(xù)下去。原子之間的關(guān)聯(lián)構(gòu)建了不可勝數(shù)的細(xì)節(jié)構(gòu)成了“你”，而這些將永遠(yuǎn)存在，盡管是以難以辨識(shí)的加擾形式——從實(shí)際角度可以說已經(jīng)丟失，可原則上是永存的。

如此確鑿的概念卻有一個(gè)明顯的例外：依據(jù)我們當(dāng)前的物理知識(shí)，信息無法保存在黑洞中。四十年前，霍金(Stephen Hawking)證明了黑洞可以徹底地以抹除信息。無論什么落入黑洞，相對(duì)宇宙的其余部分它就消失了。它在最終時(shí)刻從事件視界(黑洞的外部物理邊界)發(fā)出一股粒子風(fēng)——“霍金輻射”。黑洞通過這種方式緩慢蒸發(fā)，但是這種過程抹除了關(guān)于黑洞的信息。輻射的數(shù)據(jù)僅僅攜帶了總質(zhì)量，電荷以及所有物質(zhì)的角動(dòng)量。其他的所有墜落物體的細(xì)節(jié)信息都煙消云散了。

霍金發(fā)現(xiàn)的黑洞蒸發(fā)給理論物理學(xué)家出了個(gè)難題：廣義相對(duì)論說黑洞會(huì)抹除信息;量子力學(xué)又聲稱信息永存。廣義相對(duì)論和量子力學(xué)都是經(jīng)過時(shí)間檢驗(yàn)的理論，但又顯得不可融合。其中的矛盾揭示了詭異的黑洞之外更為基本的東西：信息悖論表明了物理學(xué)家仍然不明白自然的基本規(guī)律。

然而慕尼黑Ludwig-Maximilians大學(xué)物理學(xué)教授Gia Dvali認(rèn)為他找到了答案。“黑洞是量子計(jì)算機(jī)，”他說。“我們有明確的信息處理步驟?！比绻麑?duì)了，悖論就解決了，信息確實(shí)永存?；蛟S更令人吃驚的是，他提出的概念還具有實(shí)際意義。未來，我們或許可以借鑒黑洞物理來建造我們自己的量子計(jì)算機(jī)。

從黑洞中恢復(fù)信息的難點(diǎn)在于它們是幾乎沒有特征的球體，在視界上基本沒有物理屬性;正如美國(guó)已故物理學(xué)家惠勒所說，他們是“無毛的”。如果一個(gè)物體沒有可以用于編碼的特征就無法用來儲(chǔ)存信息。這其中存在錯(cuò)誤，Dvali說：“所有‘無毛定理’都是錯(cuò)的，”他和合作者認(rèn)為引力子——至今還未發(fā)現(xiàn)的傳播引力、構(gòu)建時(shí)空的量子——延伸于整個(gè)黑洞，形成“量子毛發(fā)”，它允許儲(chǔ)存和釋放信息。

這項(xiàng)新研究建立在量子理論的反直覺特征之上：量子效應(yīng)不只是體現(xiàn)在微觀世界。的確，量子效應(yīng)是脆弱的，在溫暖嘈雜的環(huán)境中很快就會(huì)被破壞掉，典型如地球上我們熟悉的環(huán)境。這就是我們通常觀察不到量子效應(yīng)的原因。這也是搭建量子計(jì)算機(jī)的主要挑戰(zhàn)，量子計(jì)算機(jī)使用粒子的量子態(tài)來處理信息而不是傳統(tǒng)晶體管的開關(guān)邏輯門。但是在低溫孤立的環(huán)境，量子行為可以在很長(zhǎng)距離保持——大到足以覆蓋數(shù)十億公里的黑洞視界。

你不必去外太空一睹長(zhǎng)程量子效應(yīng)。創(chuàng)建黑洞的量子毛發(fā)所需的巨大距離和質(zhì)量遠(yuǎn)超我們的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，但通過將原子冷卻到低于萬(wàn)分之一開爾文溫度(絕對(duì)零度以上萬(wàn)分之一度)，研究人員將近十億個(gè)原子——長(zhǎng)達(dá)幾毫米的范圍——凝聚成單個(gè)的量子態(tài)。這對(duì)于集體量子行為來說已經(jīng)是巨大的規(guī)模了。

這種原子集合——亦即玻色-愛因斯坦凝聚(以Satyendra Bose和Albert Einstein的名字命名，BEC)——是目前建造量子計(jì)算機(jī)最可能的方案之一。常見的量子效應(yīng)，比如同時(shí)處于兩個(gè)位置，在玻色-愛因斯坦凝聚狀態(tài)下可以擴(kuò)展到整個(gè)體系，產(chǎn)生許多互相關(guān)聯(lián)的態(tài)。如果研究人員成功地制備穩(wěn)定的凝聚態(tài)并且控制，便可以獲得巨大的信息處理能力。而你恐怕沒想到，玻色-愛因斯坦凝聚還可能解決數(shù)十年來的黑洞信息丟失問題。

Dvali指出霍金的信息難題可以有一個(gè)自然的解決方案，關(guān)鍵是假設(shè)黑洞本質(zhì)上是由處于玻色-愛因斯坦凝聚的引力子組成的——就像是重力聚集的水坑。這個(gè)想法可能聽起來很瘋狂，不過在Dvali看來，是個(gè)非常合理的結(jié)論。在霍金首次提出他的謎語(yǔ)后多年來，物理學(xué)家們對(duì)黑洞的信息有了更多的了解。理論學(xué)家業(yè)已知道如何計(jì)算黑洞可以存儲(chǔ)的信息量：信息的數(shù)量通過在黑洞的熵來量化，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組或“加擾”信息。最后，信息必須從黑洞中逃脫以免與量子力學(xué)發(fā)生沖突。

從2012年開始，Dvali探索了這些不同的屬性，并驚訝地發(fā)現(xiàn)，某些類型的玻色-愛因斯坦凝聚體與黑洞享有共同的基本性質(zhì)。為了像黑洞一樣，凝聚體需要恰好處于一個(gè)轉(zhuǎn)變點(diǎn)——即所謂的量子臨界點(diǎn)——此時(shí)正在量子行為坍縮之前，延展的漲落會(huì)穿過流體。Dvali計(jì)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(shí)間：具有所謂的量子毛發(fā)?！澳憧梢哉f這是巧合，但我認(rèn)為這是非常有力的證據(jù)——屬于數(shù)學(xué)證據(jù)——黑洞真的是玻色-愛因斯坦凝聚體”。

將黑洞與實(shí)驗(yàn)室中創(chuàng)建的物質(zhì)形式聯(lián)系起來意味著可以通過實(shí)驗(yàn)在某些方面探索Dvali的想法。慕尼黑馬克斯-普朗克研究所的物理學(xué)教授Immanuel Bloch有著關(guān)于玻色-愛因斯坦凝聚的第一手經(jīng)驗(yàn)。他把原子聚集在“光晶格”中——通過多個(gè)交叉激光束產(chǎn)生的光學(xué)晶格——然后使用一種稱為熒光成像的技術(shù)得到凝聚體的快照。獲得的圖片優(yōu)美地展現(xiàn)了原子的關(guān)聯(lián)量子行為。

Bloch覺得Dvali的想法很有意思，盡管這個(gè)想法來自一個(gè)與他相去甚遠(yuǎn)領(lǐng)域?！拔覍?duì)Gia Dvali的提議感到非常興奮，這完全是個(gè)新東西?！盉loch說到，“人們已經(jīng)通過凝聚體相互作用觀察到坍縮的過程，但到目前為止還怎么研究過量子臨界點(diǎn)附近發(fā)生的事情。

“BEC具有宏觀量子波函數(shù)，意味著量子數(shù)會(huì)有很多漲落。這就是BEC通常看起來像瑞士奶酪的原因，”他繼續(xù)道。但是施加磁場(chǎng)可以改變?cè)酉嗷プ饔玫膹?qiáng)度，誘導(dǎo)它們形成有序的格子?！痹酉嗷プ饔眉訌?qiáng)，然后進(jìn)入[非常有序]“莫特態(tài)”。這是量子計(jì)算的重要狀態(tài)，你有了這樣的正規(guī)陣列，接著可以用激光操縱原子，旋轉(zhuǎn)它們并改變自旋[編碼和處理信息]。

根據(jù)Dvali的說法，黑洞物理學(xué)揭示了使用不同的量子態(tài)可能是在玻色-愛因斯坦凝聚體中存儲(chǔ)信息的更好方式。從這個(gè)角度來說，黑洞是物理學(xué)家所知道的最簡(jiǎn)單、緊湊和有效的信息存儲(chǔ)設(shè)備。因此，使用黑洞的編碼協(xié)議可能是在基于凝聚體的量子計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)信息的最佳方法。

在實(shí)驗(yàn)室中創(chuàng)建一個(gè)模擬黑洞的凝聚體并非不可能。“[在一個(gè)黑洞中]，相互作用強(qiáng)度會(huì)自我調(diào)整。我們可以將相互作用強(qiáng)度調(diào)整到凝聚態(tài)坍縮的邊緣來模擬類似的東西。越接近量子臨界點(diǎn)，漲落變得越來越大。這可以模擬我們需要的系統(tǒng)。人們可以通過原位觀測(cè)這些凝聚體來研究各種量子漲落和非平衡情況，且有著很高的空間分辨?！?/p>

Dvali的想法可行卻并不一定實(shí)用?！八c領(lǐng)域里的許多其他東西競(jìng)爭(zhēng)，現(xiàn)在，我還有很多的疑慮。”Bloch還指出，高效的信息存儲(chǔ)固然好，但對(duì)于量子計(jì)算機(jī)來說，“信息容量暫時(shí)不是問題?！彼X得最大挑戰(zhàn)是找到一種方法來操縱Dvali提出的單個(gè)量子態(tài)——數(shù)據(jù)處理，而不是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。當(dāng)然還有其他的障礙?！拔覀儾淮_定的還有很多，比如噪聲，它的穩(wěn)定性如何呢？我們不知道，”Bloch說，“對(duì)我而言，更有意思的是與引力物理學(xué)的聯(lián)系?！边@背后的意義遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了信息存儲(chǔ)。

Dvali并不是最近唯一研究提出引力與凝聚態(tài)物質(zhì)之間存在聯(lián)系的，這已經(jīng)成為實(shí)驗(yàn)研究的一個(gè)全新領(lǐng)域。按照愛因斯坦的傳統(tǒng)，物理學(xué)家一般認(rèn)為彎曲的時(shí)空是物質(zhì)及其相互作用的舞臺(tái)。但現(xiàn)在幾個(gè)獨(dú)立的研究方向表明，我們可能小看了“時(shí)空”，引力還可以出現(xiàn)在看似與之無關(guān)的物理學(xué)中。

在過去的幾十年中，引力與某些類型的流體之間的廣泛聯(lián)系已經(jīng)證明，具有集體量子行為的系統(tǒng)可以模仿彎曲的時(shí)空，得到與愛因斯坦廣義相對(duì)論相同的方程。目前，還沒有發(fā)現(xiàn)可以完全把廣義相對(duì)論推廣到凝聚態(tài)的方法，也沒有人知道它是否有可能。盡管如此，新發(fā)現(xiàn)的聯(lián)系令物理學(xué)家能夠通過原子凝聚體模擬引力系統(tǒng)。

用凝聚體模擬引力使得人們能夠探索難以達(dá)到的區(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(jīng)測(cè)量了其在玻色-愛因斯坦凝聚體系中的類比信號(hào)。當(dāng)然，這些凝聚體并不是真的黑洞——它們捕獲聲波而不是光——但它們遵循相同的數(shù)學(xué)規(guī)律。這么說來，凝聚態(tài)系統(tǒng)實(shí)際上執(zhí)行了相當(dāng)復(fù)雜，甚至棘手的物理計(jì)算。

“我們會(huì)談?wù)摗孔幽M’，試著用這些系統(tǒng)來尋找在經(jīng)典計(jì)算機(jī)上難以計(jì)算的有趣現(xiàn)象，”Bloch說?！拔覀円苍噲D測(cè)試其他系統(tǒng)，比如黑洞，又比如我們?cè)诙S系統(tǒng)找到了希格斯粒子[的類比]?！痹?012年的一篇自然雜志的論文中，Bloch和合作者報(bào)道他們的量子模擬顯示了類希格斯粒子也可以存在于二維系統(tǒng)。同樣的技術(shù)原則上也可以研究與黑洞類比的BEC體系。

借助黑洞物理學(xué)開發(fā)量子計(jì)算機(jī)的新協(xié)議是一回事，確認(rèn)宇宙里的黑洞是否真的是引力子的凝聚態(tài)是另一回事。“我對(duì)無法檢驗(yàn)的想法沒什么興趣?！盌vali的宇宙學(xué)家同事Stefan Hofmann說道。

Hofmann投入了大量時(shí)間來探索黑洞是引力子凝聚態(tài)這一觀點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果?！昂诙礋o毛定理已經(jīng)打破了?！彼釪vali的觀點(diǎn)，黑洞視界附近的量子毛發(fā)微妙地改變廣義相對(duì)論的預(yù)測(cè)(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(yīng)該是可探測(cè)的。Hofmann在2015年的研討會(huì)上說，“最理想的是一個(gè)二元[黑洞]合并事件”。他的夢(mèng)想成真了：LIGO團(tuán)隊(duì)宣布首次測(cè)量到一對(duì)黑洞合并發(fā)出的引力波。

Hofmann和他的合作者尚未給出定量的預(yù)測(cè)，可是由于宏觀量子效應(yīng)，Dvali提出的信息丟失問題的解決方案可能很快就會(huì)經(jīng)受實(shí)驗(yàn)上的測(cè)試。然而，黑洞是引力子的量子臨界凝聚體、相當(dāng)于玻色-愛因斯坦凝聚體的想法，留下了許多問題。首先，Dvali的計(jì)算無法解釋落入黑洞的物體實(shí)際發(fā)生了什么。Hofmann也承認(rèn)，目前還不清楚這個(gè)物體是如何融入傳統(tǒng)意義上的“黑洞”，因?yàn)樗鼰o法再在熟悉的廣義相對(duì)論框架內(nèi)描述。

馬賽大學(xué)的Carlo Rovelli認(rèn)為，即使形式不完整，Davli關(guān)于黑洞的想法也是有科學(xué)意義的?！八麄兊慕剖旨みM(jìn)，可能無法抓住各個(gè)方面，但它可能在某種程度上是符合的，特別是在長(zhǎng)波區(qū)間。對(duì)于[時(shí)空]的低頻量子漲落，這并不荒謬?！盧ovelli說，然而，他提醒說，凝聚態(tài)模型“不能作為描述黑洞中的完整描述”。

最后，顯而易見的是，這項(xiàng)研究揭示了一種以前未被認(rèn)識(shí)到且成果豐富的關(guān)聯(lián)?！霸诹孔有畔⒑秃诙次锢韺W(xué)之間有一座非常有趣的橋梁，以前沒有討論過，”Dvali說。如果他是對(duì)的，其意義是相當(dāng)驚人的。信息確實(shí)永存的，如此而言，我們都是不朽的。想想我們銀河系中心的超大黑洞，或許它是一個(gè)宇宙級(jí)量子計(jì)算機(jī)也說不定？