虫洞揭示了一种在实验室操纵黑洞信息的方法

就试验性提案而言，这一提案当然不乏雄心壮志。首先，取一个黑洞。现在制造第二个与之量子纠缠的黑洞，这意味着发生在其中一个黑洞上的任何事情似乎都会影响另一个黑洞，无论它们相距有多远。

其余的听起来容易一些，但却奇怪得多。将一些信息输入第一个黑洞，编码在量子粒子中。当它落到视界之外--甚至连光都无法逃脱的视界之外--信息很快就会被涂抹在整个黑洞中，并被扰乱，似乎无法回忆。

但是要有耐心--如果你以正确的方式连接了这两个黑洞，在短暂的等待之后，量子信息就会从第二个黑洞中跳出来，完全重新聚焦成可读的形式。为了到达那里，它将通过一条连接这两个物体的时空捷径-虫洞。

至少，这是物理学家的预测。现在，由加州理工学院的塞佩尔·内扎米(Sepehr Nezami)领导的一个小组已经提出了如何实际执行这项非凡的实验的建议-他们正开始与合作者合作，将这一想法付诸实践。

如果预测得到证实，这项工作可能会为在哪里寻找物理学中最难以捉摸的理论提供线索：一种将量子力学与描述引力的广义相对论相结合的理论。此外，它还将支持这样的观点，即时空不是宇宙上演的基本背景，而是它本身是由量子纠缠描述的粒子之间的相互联系编织而成的。

正如你可能已经猜到的那样，这个实验不需要通常意义上的黑洞，也就是说，大质量恒星因自身引力而坍塌到无限小的体积。研究人员说，只需使用几个原子或离子，就可以在实验室台面上完成这项工作。尽管如此，这个想法还是源于对天体物理黑洞的理论研究，该研究一直在努力解决一个深刻而令人不安的问题：这些吞噬一切的怪物是否会不可逆转地破坏信息？

人们普遍认为，信息和能量一样，应该遵守一条守恒定律：宇宙中的信息总量将永远保持不变。这似乎就是量子力学所暗示的：描述量子实体的波函数总是以信息守恒的方式顺利演化，不可能突然被扼杀。

但是黑洞似乎确实从宇宙中移除了信息。比方说，如果一个量子比特或“量子比特”落入黑洞，它就不能再从视界之外观察到。

这种“黑洞信息悖论”的一种可能的解决办法是在黑洞从其事件视界发出的辐射中找到的。斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking)在20世纪70年代预测的霍金辐射将导致黑洞失去引力能量，从而失去质量。实际上，黑洞并不是永恒的。它们会慢慢蒸发。

霍金最初认为，即使黑洞完全蒸发，它消耗的信息也会永远丢失。但是，一个被称为ADS/CFT对应的想法展示了霍金辐射的光子如何能够编码关于黑洞内部的信息，从而将这些信息带回整个宇宙。

ADS/CFT对应是理论物理学家胡安·马尔达塞纳(Juan Maldacena)在1997年提出的假设，它被广泛认为是追求量子引力理论的最有前途的方向之一。它表明，比方说，四维空间中的时空物理结构等同于量子理论在三维边界上的操作。

这种联系是奇怪的、深刻的和令人惊讶的。它说，如果你构建一个具有特殊曲率(因此也就是重力)的时空，被称为反de Sitter空间-那就是ADS部分-数学描述被证明等同于一种被称为共形场论的量子场论的描述-那就是CFT部分-在一个更少的维度上。换句话说，这种对应关系就像全息图一样--高维时空投影中的所有信息都编码在低维量子相互作用中。这个“全息原理”首先是由诺贝尔物理学奖获得者杰拉德·t·胡夫特提出的，马尔达塞纳的ADS/CFT通信提供了第一幅关于它如何在特定形式的时空中工作的具体图景。

在这个观点中，ADS宇宙中看似连续的空间在CFT量子观中表现为纠缠-量子比特的相互依赖。马尔达塞纳说，在这里，“时空的出现应该发生在拥有大量高度纠缠和高度相互作用的量子比特的系统中。”换句话说，量子纠缠可以产生一个似乎有引力的时空。你可能会说，重力是由量子效应产生的。

这一切与黑洞有什么关系？黑洞信息悖论的问题是，扔进黑洞的信息会发生什么情况。ADS/CFT通信是提出的一种解决方案的关键组成部分，因为它提供了量子纠缠可以将信息印记在Hawking辐射上并防止其不可挽回地丢失的手段。2004年，霍金自己解释了，假设ADS/CFT猜想是正确的，我们可以通过捕捉黑洞在整个生命周期中在完全蒸发之前辐射的每一个霍金光子来恢复这一信息。正如加州大学伯克利分校的诺曼·姚(Norman姚)所描述的那样，“如果你是上帝，你收集了所有这些霍金光子，原则上你可以做一些不虔诚的计算来重新提取[每个被吞噬的]量子比特中的信息。”

直到黑洞蒸发的中点之前，黑洞内部的信息都是隐藏的。然而，在这一点之后，黑洞开始在其霍金辐射中揭示其信息。所以你要等很长一段时间才能开始做这件事。根据阿尔伯塔大学物理学家唐·佩奇在1993年的一项论证，它将以恒定的速度逐渐渗出。

但在2007年，帕特里克·海登(Patrick Hayden)和约翰·普雷斯基尔(John Preskill)修改了这张图片，他们指出，事实上，在中途之后，信息出现的速度比这更快。姚说，奇怪的是，一旦黑洞蒸发了一半，扔进黑洞的任何进一步的量子信息都会“从字面上反弹回来”。这是因为到那个阶段，黑洞已经与它已经发射的霍金辐射变得如此量子纠缠，以至于它吞噬的任何更多信息都会立即有效地登记在它所发射的任何进一步的辐射中。海登和普雷斯基尔说，黑洞就像一面“信息镜子”。

海登和普雷斯基尔偶然发现了黑洞热力学和量子信息理论之间的联系，这种联系引发了一种称为量子加扰的现象。这种效应非常类似于热量在达到平衡时随时间在系统中均匀分布的方式，这一过程被称为热化。姚说，想象一下，创造两个包含局部能量的系统，然后让它们接触。能量将在这两个系统中传播，直到“它们失去了初始启动状态的记忆，你再也无法区分它们。”

加扰在本质上是相同的，但要强得多：即使您不仅查看本地，而且查看两个系统之间的相关性，您也无法区分两个加扰的系统。“争抢是一种很强的热化形式，”姚说。“这是量子信息的离域。”

“这是对洗牌的量子模拟，”谷歌和斯坦福大学的物理学家亚当·布朗(Adam Brown)说。“如果你从一副有序的纸牌开始，如果你看着纸牌，说里面没有明显的图案，你就会说它是洗过的。这并不等同于说它完全是随机的-它非常混乱，你必须非常老练才能知道它不是随机的。这比真正的随机性来得快得多。“。

“几乎任何多体量子系统最终都会陷入混乱，”他补充道。但是黑洞是特别的。就像一副牌洗牌的速率取决于你使用的技术一样，系统的加扰速率取决于该系统中粒子如何相互作用的细节。这些细节由一个称为哈密顿量的函数进行数学描述。事实证明，支配黑洞的哈密顿量意味着它们以尽可能快的速度扰乱量子信息。

这就是海登和普雷斯基尔得出结论的原因。黑洞的行为就像快速的量子加扰电路，所以一旦它们与自己的霍金辐射充分纠缠在一起，进入黑洞的任何新信息都会很快出现在这种辐射中。

尽管如此，你必须等到黑洞和它的霍金辐射足够纠缠-也就是说，直到它蒸发了一半-才能发生这种情况。

但有一种更快的方法来获取信息：最大限度地将黑洞与其他东西缠绕在一起-比如另一个黑洞。这是哈佛大学的高平和丹尼尔·贾弗里斯(Daniel Jafferis)在2016年提出的建议，他们与新泽西州普林斯顿高级研究所的阿伦·沃尔(Aron Wall)合作。他们说，如果你能以这种方式纠缠一对黑洞，那么被第一个黑洞吞噬的量子比特就会登记在另一个黑洞中。高和他的同事展示了如何通过在黑洞之间增加进一步的耦合，使它们之间的量子信息传输与称为量子隐形传态的过程正式相同。在这里，两个粒子之间的纠缠被用来将其中一个粒子的量子态转移到另一个粒子上。目标粒子最终看起来与最初的粒子一模一样-事实上，没有任何有意义的方法来说它不是同一个粒子，从空间的一个部分消失，在另一个空间重新组成。姚说，对于信息来说，他们的纠缠就像一座桥梁。

姚解释说，具有黑洞动力学的系统“允许在尽可能快的时间尺度上进行隐形传态。”这是因为进入其中一个黑洞的任何信息都会很快在它的所有粒子之间共享-因此，由于与第二个黑洞的纠缠，它也会很快与那个黑洞共享。

量子隐形传态已经被实验证明了很多次，它已经被用来在量子设备之间发送安全加密的信息。然而，它不允许你立即发送信息，因为信号不能被解码-它看起来是随机的-没有一些经典机制发送的额外信息，这意味着它不能以比光速更快的速度传播。海登的前博士生内扎米解释说，这就是为什么像高和同事们提出的那样的方案需要一些额外的手段，而不是纠缠，来耦合黑洞。“耦合的作用是发送重要的经典数据，在纠缠的帮助下，将信号从一个黑洞传送到另一个黑洞，”他说。

至少，这是量子信息理论家对这一过程的看法。但根据ADS/CFT的通信，在基于广义相对论的描述中，由纠缠产生的黑洞之间的通道等同于连接它们的时空中的虫洞。在这个视图中，量子比特进入一个黑洞，然后沿着虫洞行进到另一个黑洞。

通常情况下，这样的虫洞--虽然广义相对论允许--被认为是不可穿越的：你实际上不可能将任何东西送到它们下面。但高，贾弗里斯和沃尔展示了如何使用量子信息理论和隐形传态(在ADS/CFT图片中)来制造一个可穿越的虫洞。

如果ADS/CFT的通信是真实的，它允许观点的根本改变。原则上，研究人员可以通过以正确的方式纠缠量子电路，并在它们之间传送量子比特，来构建完全等同于虫洞连接的黑洞的系统。

内扎米和布朗与斯坦福大学的伦纳德·苏斯金德、马里兰大学的布莱恩·斯文格尔和帕克学院的其他人一起工作，现在已经就如何做到这一点提出了一个切实可行的建议。他们说，要让一组量子粒子在这种情况下表现得像黑洞，需要给它们的相互作用分配一个哈密顿量，使它们成为非常快速的加扰器。

事实上，量子加扰只是在去年才第一次明确地展示了这一点。马里兰州的克里斯托弗·门罗(Christopher Monroe)和他的同事们采纳了姚和他的同事贝尼·吉田贝尼(Beni Yoshida)的一项实验提议，创建了一个由量子态被纠缠的电子陷阱离子组成的量子电路。在像这样的真实系统中，加扰可能很难在其他不受控制的过程中被发现，比如经典噪声，特别是量子退相干。像加扰一样，退相干是由粒子的相互作用和随之而来的纠缠而产生的-但在这种情况下，它们是量子系统自身周围环境中的粒子。随着消相干的进行，信息泄露到环境中，基本上就永远丢失了。退相干是不可能完全避免的，这使得它成为量子计算机的头疼问题：在退相干将信息随机化之前，任何量子计算都必须完成。

通常情况下，退相干往往比混乱发生得更快，因此很难清楚地看到后者。门罗的团队想出了如何使用量子隐形传态算法来区分这两个离子，该算法编码在一个电路中，该电路由七个耦合的镱离子组成，每个离子充当一个量子比特。这个过程--实际上是量子计算--将单个量子比特从一行的一端传送到另一端。为了测量扰乱的速度，研究人员比较了算法向前和向后进化时的隐形传送过程(就好像它发生在“时间上的倒退”)。在没有加扰的情况下，这两个过程保持相关。但随着加扰将最初编码在某些量子比特中的信息分散在其他信息之间，正向和反向计算的结果变得不那么相关：系统已经从初始状态改变，因此隐形传态不能精确逆转。门罗说：“如果它们是相关的，就不会发生太多事情。”“但如果出现混乱，相关性就会降至零。”这就是随着时间的推移他们所看到的。

布朗和他的同事们现在建议，与这些非常相似的量子电路可以用来构建一个简单的类似于高、贾弗里斯和沃尔设想的情况，用来构建一个可以传送量子比特的可穿越虫洞。在他们想象的版本中，两个黑洞中的每一个都只由几个量子比特组成，所有这些量子比特都是最大限度地相互纠缠在一起的。他们的协议在这两组量子比特之间引入了进一步的相互作用，这是高和他的同事完成隐形传态过程所需的额外通道。

直觉告诉我们，电磁陷阱中的一小撮离子完全不像一颗坍塌的恒星，没有光线可以逃脱。但这里有一件令人费解的事情：如果ADS/CFT的通信是正确的，那么这些实验将不仅仅是实验室中的黑洞模拟。这两种类型的系统将是完全相等的。在广告空间中，耦合离子正是(非常小的)黑洞的样子。这是一个例证，如果马尔达塞纳的猜想告诉我们一些关于宇宙构成方式的真实情况，我们关于事物是什么的直觉将会被打破。

去年10月，在与马里兰州同事门罗的一次聊天中，斯文格尔描述了他的虫洞般的量子电路。门罗认识到，这或多或少就是他的团队用来演示量子加扰的那种电路。尽管门罗已经知道海登和普雷斯基尔关于利用量子纠缠从黑洞中恢复量子信息的想法，但他说，他的团队选择他们的电路只是为了证明量子加扰，而没有真正考虑到与引力的联系。

如果Swingle和他的同事设计的电路真的可以建造，那么寻找他们预测的效果应该是相当直截了当的。这能做到吗？“当然可以，”门罗说。人们期待看到的是，首先，馈送到两个黑洞型量子比特系统之一的量子比特信息将被扰乱，似乎消失了。但在一段可预测的时间之后，它会在另一组量子比特中再次跳出，解开，跳入虫洞。令人惊讶的不是信息被传递--毕竟这两个系统是耦合的。那就是，即使第一个“黑洞”完全扰乱了信息，信息也会以可读的形式重新出现，不需要解码。

在这个阶段，使用量子电路的实验可能只希望创造一个我们居住的时空的简化玩具模型，用广义相对论来描述。马尔达塞纳说：“如果我们的目标是建立一个受爱因斯坦方程式支配的时空，那么目前已知的唯一能产生这种时空的系统是非常特殊的，很可能很难在实验室里制造出来。”但他补充说，“这些作者的目标是创建一个足够复杂的系统，使其具有某些引力特性(虽然不是全部)，但也要足够简单，以便能够实际实现。”

如果这样的实验结果证实了预测，那么ADS/CFT的对应关系会被证明是正确的吗？那要看你的观点了。在这些量子电路的理论分析中，没有什么是与标准量子理论完全一致的。但用引力语言来描述正在发生的事情更简单、更经济：就像沿着虫洞的一段话。布朗说：“虽然你可以用薛定谔方程来解释这一切，但有一个简单得多的解释，那就是引用黑洞。”

斯温格尔问道，寻找这样的经济，并为这种描述赋予一个有意义的现实，难道不是物理学的目标吗？例如，你可以纯粹用电子波函数来描述超导--另一种量子现象。但使用“准粒子”图片要简单得多：考虑所谓的库珀纠缠电子对。我们并不质疑这些准粒子的真实性--那么为什么我们要否认量子比特虫洞的真实性呢？

门罗说，出于这个原因，“从对原子的观察中，我们可能会了解到一些与原子无关的东西”--即黑洞。使用多量子比特系统的更雄心勃勃的实验版本可能会揭示时空本身的有趣特性。马尔达塞纳说：“如果这些实验能够完成，就有可能创造出越来越复杂的纠缠系统，从而测试量子系统中时空出现的更多方面。”内扎米补充道：“这类复杂的实验甚至可以提供弦理论数学的实验探索。”

至于这种实验的前景，斯文格尔说，他正在与各种实验者商谈将量子加扰电路改造成对这些遥远想法的直接测试，尽管具体计划尚未出现。但这些对话本身在某种程度上是一个里程碑。布朗说：“在这里，我们有来自量子引力的理论物理学家与实验原子物理学家交谈。”“从历史上看，他们之间的距离就像物理系中的任何两个群体一样远。所以这是一个新的t

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