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團隊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)的探索也需要實驗學(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－量子比特的量子計算機，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，因為量子力學(xué)說信息從來不會丟失，即使在信息消失進黑洞的時候。

 

　　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間-----直到黑洞縮小到它原來的一半的時候。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？我們可以做一個思想實驗。假設(shè)有一個物理學(xué)家Alice，把一個量子比特丟進黑洞中，然后問Bob是否能夠通過輻射出來的霍金輻射重構(gòu)出這個量子比特。

 

　　而其實，這里有一個“漏洞”----即存在一個蟲洞，通向這個黑洞的外部。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掉入黑洞的信息。

 

　　量子計算機中的兩個量子比特，當(dāng)他們糾纏時，他們是緊密聯(lián)系在一起的，一個比特的量子態(tài)自動的決定另外一個的量子態(tài)，不論它們離得有多遠。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)致量子信息從一個量子比特傳到另一個。

 

　　“通過對于向黑洞外傳播的霍金光子做一個繁難的量子計算，我們可以重構(gòu)出一個掉入黑洞的信息。”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驗室的科學(xué)家。“這一計算被認(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七比特的量子計算機中對由三個比特組成的小“黑洞”來做的。

 

　　通過將糾纏的量子比特扔進黑洞，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)伯克利量子算法實驗室的成員，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信息?；谶@個觀點，吉田和姚在去年想到了一個描述量子計算機的“擾亂”的實驗。

 

　　由馬里蘭大學(xué)的物理學(xué)家構(gòu)建的七比特量子計算機電路，這個電路用量子傳態(tài)來檢測信息的擾亂。它和通過一個可穿越蟲洞來實現(xiàn)信息傳輸是相似的，可以允許Bob來定出Alice扔進黑洞的量子態(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)了一個世界領(lǐng)先的離子阱量子信息實驗組。他決定試一試這個想法，于是他和他的團隊做了吉田和姚提出的這個方案，然后高效地測量了非時序關(guān)聯(lián)函數(shù)（OTOC）。

 

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

 

　　Monroe的實驗組在一個七比特的離子阱量子計算機上創(chuàng)造了一個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)生的一個強烈特征，但為了證明這一點，還需要說明這個耗散不是由退相干產(chǎn)生的簡單耗散——即它不是因為沒有做好系統(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嚴(yán)格的下限。這是因為，如果一個信息從一個原子到另一個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。對于一個任意的，我們不知道具體發(fā)生的擾亂是什么的過程，這個方法可能被用來檢驗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3-比特量子電路中的確發(fā)生了。

 

　　“我們的協(xié)議的一個可能的應(yīng)用與量子計算機的標(biāo)志問題緊密相關(guān)，或許可以用這個技術(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)造更好的糾錯算法，以及通過目前的有噪音量子計算機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，來自伯克利實驗室的一位物理學(xué)家，他正在努力構(gòu)建一個先進的量子計算實驗平臺。他們一起研究另一個不同的量子系統(tǒng)“超導(dǎo)量子三態(tài)（superconductingqutrits）”的擾亂。而量子三態(tài)是一個有著三個態(tài)而不是兩個態(tài)的量子比特。

 

　　“從本質(zhì)上講，這是一個量子比特或量子三態(tài)實驗，但事實上我們可以將它與宇宙學(xué)聯(lián)系起來，因為我們相信其與量子信息的動力學(xué)是相同的，”他說。“美國正在推出一項價值數(shù)十億美元的量子項目議案，理解量子信息的動力學(xué)可以將這項議案的許多研究領(lǐng)域聯(lián)系起來，比如量子電路和量子計算，高能物理，黑洞動力學(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：“不論真實的黑洞是不是一個好的量子比特擾碼器系統(tǒng)，在實驗室研究量子擾亂可以給量子計算和量子模擬的未來發(fā)展提供一個有用的啟發(fā)。”