当我住在湾区的时候，我经常和我的朋友贾伦·拉尼尔聚在一起，探索奇异的思维实验的含义。
古怪的思维实验在科学思想史上是必不可少的，但问题不在于古怪本身。思考像薛定谔猫这样的奇怪事物的回报并不一定是我们应该“相信”这样一只猫的存在。相反，我们可以希望不寻常的想法能照亮我们思想的阴暗边缘；在薛定谔猫的例子中，在处理叠加问题时。重点不是要迷惑或迷惑人们，而是要最终找到一种更有意义、不那么模糊的思考方式。
我想思考的奇怪概念来自于对外星生命形式的探索。寻找宇宙中外星生命迹象的方法多种多样，通常需要使用大量望远镜。一种方法是基于这样一种希望，即天文学家可能会幸运地发现外星人的无线电广播。但在拉尼尔和我探索的思维实验中，我们考虑了一种不同的、更具戏剧性的可能性。
假设有很多外星文明运行着巨大的量子计算机，就像谷歌和其他公司刚刚开始在地球上建造的那样。这就引出了一个非常奇怪的问题：极端数量的非常遥远的量子计算会导致任何天文观测的效果吗？通过仔细观察夜空，我们人类能看到充满量子计算机的宇宙证据吗？
我们考虑了各种可能的方法，但最后我们集中在一个极好的可能性上。这就是：首先，外星量子计算机可以解释暗能量的奥秘，因为宇宙中大量外星生物的计算使整个宇宙弯曲（或者更准确地说是伸直）。因为我们可以观察到暗能量的影响，加速宇宙的膨胀，这意味着我们已经看到了我们的宇宙在我们之外存在的证据，我们只是没有认识到它是这样的！幸运的是，我们发现，思考这个几乎无法估量的概念有人类规模的实际回报：它帮助我们澄清我们如何思考引力和量子信息之间看似合理的关系。（如果你觉得这很奇怪，你应该读一些相互矛盾的观点。最近的一篇论文表明，暗能量实际上是一个信号，表明时间将不再是时间，而是变成空间。然后我们将被时间冻结，但是四维的。相比之下，我们的提议，外星人和所有人，实际上是温和的。）
让我们一步一步地讨论这个问题：什么是量子计算机，为什么外星人会使用它们？
让我们假设，就像我们一样，许多外星文明也会为了某种目的而想要最好的计算机。为了论证起见，我们假设外星人想要享受高质量的虚拟现实，所以他们建造计算机来实现这一点。如果运行外星人虚拟现实的计算机是我们现在使用的经典类型（基于计算机科学先驱约翰·冯·诺依曼（John von Neumann）和艾伦·图灵（Alan Turing）在20世纪中叶制定的数学框架），那么外星人通常会忍受一种次等的虚拟世界体验。你可能会认为经典计算机应该能够胜任这项任务毕竟，电影中的特效已经变得相当逼真，而经典计算机能够计算这些特效，但事实并非如此。记住电影是事先准备好的。然而，虚拟现实必须像现实一样快速地为人体创造感觉。
经典计算机不能工作那么快。此外，在某些情况下，人体能够以尽可能高的灵敏度对现实做出反应。例如，在某些情况下，视网膜可以对单个光子产生神经反应。在这种情况下，人体已经变得像物理学可能允许的那样具有辨别力。就像经典计算机不能像宇宙那么快一样，它们也不能那么敏锐。如果我们假设其他地方的外星人在某些特殊情况下也进化出对这个终极量子级现实的敏感度，就像我们对光一样，那么当他们试图设计一台非量子超级计算机和虚拟现实设备来模拟终极细节级的现实时，他们就会遇到问题。这就是为什么我们猜测有洞察力的外星人会寻求量子计算机的力量来运行他们的虚拟世界。
量子计算机在地球上的实际应用尚未得到充分发展，但它们在理论上有潜力在广泛的计算竞赛中粉碎常规计算机。量子计算机可以像同时在许多平行宇宙中存在它的副本一样工作，同时探索手头计算任务的变化。
假设电脑正在计算虚拟玫瑰花瓣对你指尖的感觉。玫瑰花瓣是柔韧的，所以你触摸的每个部分都会改变你触摸的其他部分。你必须一次计算出所有的部分，只有一个解决方案能够协调花瓣不同位置的所有微小事件，使其感觉真实。量子计算机可以同时计算大量不同版本的花瓣，即使只有一种变体是正确的版本。然后，正确的版本可以立即呈现给你的指尖，也许是由拉尼尔在他的书《新事物的黎明》中想象的“章鱼管家机器人”，好像计算机从一开始就知道哪种变化是正确的。
量子计算机设计师面临的一个重大工程问题是热。对于任何计算机设计师来说，热几乎是一个普遍的问题。每次你在计算机内部做一点改变，你都在做至少一点工作，不管这一点是作为算盘中的珠子实现的，还是作为硅芯片中半导体中的电荷实现的。工作总是散发热量。
让我们考虑算盘的例子。当你上下移动珠子时，珠子滑动的金属丝上的摩擦会产生一些热量。如果你一秒钟只这样做几次，你甚至不会注意到热量，但是如果你每秒移动珠子数百万次，你就会熔化金属丝。现在考虑量子算盘。这有点像在不同的平行现实中有一堆珠算，每个珠子在不同的位置，每个珠子探索一个问题的不同变体。你可以把每个单独的珠子想象成薛定谔的猫：你可以把珠子想象成同时向上和向下，或者在每个特定的宇宙中它要么向上要么向下。我们称这种珠子为量子比特，而不是比特。如果量子算盘变热，珠子开始抖动，就像热煎锅里的油开始嘶嘶作响一样。如果珠子抖动过多，就不可能说出哪个宇宙有一个向上或向下的珠子，这意味着平行宇宙中珠子状态之间的差异消失了。当这种情况发生时，量子优势也消失了。
珠子在量子算盘中的作用通常由基本粒子来完成，这意味着即使是很小的热量也会产生毁灭性的影响。地球上的量子计算机设计师被迫推进极限制冷技术的发展。机器必须在超低温下运行。
然而，还有其他方法来解决这个问题。减少热量问题的一个潜在方法是拓扑设计。拓扑学是描述事物如何连接的数学领域。例如，如果你把一颗珠子放在一根圆形金属线上，游戏规则就会改变，因为向上推一颗已经向上的珠子会迫使它向下移动。“向上推”的含义取决于之前的推。当你改变事物的连接方式时，你就改变了这些事物所包含的信息种类。人类文化史上的一个例子是，古代印加人使用精心制作的结，称为khipu，作为记录方案和书面语言的一种形式。
如果你使用拓扑结构来保存信息，你就不必像在固定的拓扑结构中移动比特那样担心热量。例如，您也可以弯曲和更改导线的连接，以使焊道以不同的方式移动，而不仅仅是移动焊道。除了循环，您还可以探索各种结、分支结构等。足够的热量仍然会熔化导线并破坏拓扑结构，但如果热量仅足以抖动珠子，则拓扑结构不会受到损害，并且可以保存大量信息。
像诺贝尔奖获得者弗兰克·威尔切克这样的物理学家正试图找出如何在地球上制造实用的拓扑量子计算机。总的想法是在微小的范围内围绕着人工的、扁平的、基本的、称为任意子的粒子（这是我们在吉姆·盖茨的工作中首次遇到的）移动，以便在移动过程中与它们所追踪的路径打结。这是一个了不起的想法，因为如果你认为时间是股被紧紧抓住的维度之一，那么结就是唯一的结。
到目前为止，一切都很好：关于量子计算机的这些想法都不是主流，也不是激进的。但拉尼尔和我进一步提出，外星计算机不仅是拓扑量子机器，而且是引力机器。它们打结的粒子是引力子。这将量子计算机带入暗能量领域。
正如我们已经讨论过的，现在暗能量被视为宇宙常数的同义词。宇宙常数是能量的一种形式，它遍布整个宇宙的空白空间；如果它存在，它可以使宇宙的膨胀速度加快，这是一种排斥引力。这意味着，如果在宇宙的早期阶段宇宙常数很大，形成第一个星系（以及最终像地球这样的行星）所需的引力坍缩类型将不会'；不可能。几十年来，物理学家一直假设宇宙常数为零。但在1998年，我们的朋友伯克利天文学家索尔·帕尔穆特（以及亚当·赖斯和布莱恩·施密特）观察到遥远的爆炸恒星后退，并表明宇宙不仅在膨胀，而且膨胀速度也在加快。所以物理学家把宇宙学常数带回来了，但有一个新的值。宇宙常数是“暗能量”的同义词，因为这种形式的能量也是不可见的（与光完全不相互作用）。暗能量/宇宙常数问题是一个尚未解决的最深层问题，为什么宇宙中充满了生命所需的确切数量的暗能量？我们的粒子物理学基本理论预测了太多的暗能量。那么所有的暗能量都发生了什么？如果你忘了的话，这很奇怪：它的行为就像一种带有负压的排斥流体，充满了我们周围的所有空间，把一切都拉开。如果有选择的话，它听起来不像你想在里面游泳的那种液体，但我们正在里面游泳。
目前还没有解决暗能量问题的方法。像Ed Witten这样的著名物理学家称之为理论物理学的最大尴尬。它迫使物理学家回到了画板上，一路回到量子力学和广义相对论的基础上。对我和Jaron Lanier来说，这意味着量子计算机。
引力拓扑外星计算机！回想一下量子算盘的许多副本的图像，它们分布在许多现实中，所有这些都是并行工作的。当我们移动到拓扑算盘，在那里导线可以被连接成回路、树、结等等，在所有这些平行宇宙中发生了什么？有一个有趣的分歧。一方面，钢丝上可能有一个珠子在上下位置之间摆动。但是，尽管拓扑量子计算机依赖于改变导线的形状，但形状本身是确定的。它们不能摇摆成同时打开和关闭的循环，你可以称之为“某种循环”导线要么是回路，要么不是。
有趣的是，如果你将量子算盘的所有版本与它所处的各种现实叠加在一起，会发生什么。叠加的变化取决于拓扑在计算机中扮演的角色。一个非拓扑（非打结）叠加的复杂性是线性的，这意味着它的复杂性完全和你从它的各个部分的复杂性中所期望的一样。然而，如果你叠加了打结的、拓扑有趣的算盘，结果将不是线性的，因为并非所有的中间状态都是可能的。如果你把一个循环和一个非循环叠加起来，你就不会得到包括“某种循环”在内的可能性分布
现在回想一下，我们刚刚提到了另一个不是线性的东西：相对论。时空是弯曲的，不是线性的。引力的量子态，可以被认为是量子算盘的叠加，这些算盘要么是或描述（取决于你的哲学偏好）宇宙中时空和/或引力的状态，它不是线性的。这可能是因为地心引力的算盘是打结的吗？
这是我们宇宙历史上可能发生的一个场景。如今，我们理所当然地认为物质是现实的主要组成部分，但当宇宙更年轻的时候，它太热了，物质就不可能是普通的。最终，宇宙冷却下来，物质成为一种重要的现象。物质产生了化学，生命和进化产生了智能外星人，他们经历了自己的摩尔定律，这促使他们开发引力量子计算机。
碰巧的是，宇宙中的暗能量随着物质变得重要而迅速减少。就我们的思维实验而言，这不是巧合。这是因为外星人使用暗能量作为一种资源来运行他们的终极计算机，就像我们消耗石油来运行汽车和飞机一样。
在我们继续之前，有一个更令人生畏的问题潜藏在任何试图解释宇宙常数/暗能量问题的人面前：为什么是现在？我在斯坦福大学时就试图解决这个问题。令人惊讶的是，今天的宇宙常数/暗能量不是零，而是与稠密物质成正比；它似乎在追踪物质的数量。拉尼尔和我在我们的思维实验中采取的方法是把问题“为什么是现在？”变成一种新形式：为什么在这里？
最近，许多受人尊敬的宇宙学家提出了一个没有暗能量的一致宇宙学，比如乔·西尔克和苏比尔·萨卡尔，他们认为，如果我们生活在一个没有星系的大区域，那么我们就可以消除暗能量。同样，我们的外星人来自一个没有暗能量的区域，因为这个区域代表着一个计算活动的生物圈。根据对宇宙微波背景的最新测量、斯隆数字巡天和Ia型超新星观测的详细多数据分析，存在这样一个区域。通过与宾夕法尼亚州立大学和欧洲核子研究中心的同事合作，我们能够证明，所有这些数据都与一个大约200兆帕斯卡的暗能量区域一致。这是一个巨大的区域；相比之下，10千帕塞克相当于我们银河系等典型螺旋星系的半径，而帕塞克本身已经相当大了，超过三光年。所以我们至少有一个地方可以让这些外星人和他们的电脑一起生活。在外星人存在之外的任何地方，如果没有计算机，暗能量都会存在。
这是怎么回事？在我们的想法中，外星人利用真空状态作为量子比特的“储存库”。当他们进行计算时，他们在宇宙的引力或时空量子态中连接了越来越复杂的节点，我们可以将其视为所有那些打结的、叠加的算盘。这会“耗尽”真空能量产生的曲率。
因此，我们看到的不是索尔·帕尔穆特测量的微小宇宙常数，而不是通过思考一个未被篡改的真空状态而天真地预测的巨大价值。如果这是正确的，那么这将意味着外星人已经几乎，但不是完全，最大限度地发挥了宇宙的计算潜力！
我们的思维实验并没有让我们完全了解外星引力计算机是如何工作的，但我们确实有一些提示。真空能量普遍与引力场相互作用。重力和真空能量之间的相互作用是通过一些重要的直接通道发生的。很久以前，爱因斯坦和埃利·卡坦（Elie Cartan）就已经证明，费米子物质（如电子）将普遍介导真空能量和引力。当然，费米子有很多种，理论家已经证明，无电荷费米子（类似于中微子）与真空能量的共振最大。为了突出计算机制，考虑与超流氦的类比。氦原子的行为类似于惰性费米子，在非常低的温度下，氦原子之间的量子相互作用使它们凝结成具有惊人涌现特性的超流体；一是超流体有一个负压，就像我们之前考虑的真空能量一样。一个量子场论计算成功地预测了氦的这一点，并因对这种超流态的实验验证而获得诺贝尔奖。事实证明，巧合的是，重力在无能费米子之间介导了完全相同类型的量子相互作用！
因此，超流氦之间的类比对我们来说非常相关和重要，因为如果一个时空区域足够冷，惰性费米子物质之间的关联可以作为一种自组织介质，将引力费米子真空能量的带状结构束缚起来。非常聪明的外星人可以通过激发这个费米子引力超流体中的各种能量和自旋态来实现量子计算。这种流动的环境必须有多冷？封套背面的计算表明，只要超流体的温度低于宇宙微波背景的温度，即绝对零度以上三度，就可以通过将真空能量转化为热辐射来操纵量子比特态。然而，这个区域将必须充满中性费米子物质，外星人用这些物质来推动这个过程。这种物质可以从超新星中获得，超新星会释放出大量中微子来达到这个目的。众所周知，中微子很难捕捉到，因此外星人要么要想办法捕捉并容纳穿过其所在宇宙的中微子，要么就必须居住在富含超新星的区域。
外星人有可能控制热棒引力波探测器，这与2015年首次探测引力波的激光干涉仪引力波天文台（LIGO）不同，LIGO可以使用相干引力子探测并将信息写入拓扑真空状态，就像我们的晶体管可以检测电子电流和开关门一样。门开关将由引力子的发射和吸收状态提供动力
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