纠缠的量子位:探索黑洞的奥秘!

IntelligentThin 2019-03-07 21:29

导读


近日,美国加州大学伯克利分校等科研机构的物理学家们采用一台具有七个量子位的量子计算机,模拟黑洞内部置乱的信息。这预示着未来纠缠的量子位可用于探测这些奇幻物体的内部秘密。


背景


根据爱因斯坦的广义相对论,宇宙中存在着一种神秘而奇特的天体。它的密度极大,体积却极小。它能扭曲时空,让时间静止,吞噬所有的光线。它就是黑洞。黑洞是由质量足够大的恒星在核聚变反应的燃料耗尽而死亡后,发生引力坍缩产生的。


超大质量黑洞的艺术图(图片来源:NASA/JPL-Caltech)


黑洞周围存在着一种时空的曲隔界线,科学家们称之为"事件视界(event horizon)"。视界中的任何事件,都无法对视界外的观察者产生影响。根据广义相对论,在远离视界的外部观察者眼中,任何从视界外部接近视界的物体,将须要用无限长的时间到达视界面,其影像会经历无止境逐渐增强的红移;但该物件本身却不会感到任何异常,并会有限时间之内穿过视界。


当物质经过事件视界掉进黑洞中消失时,混乱就产生了。有关物质的信息(其所有成分的特征,比如其最基本粒子的能量与动量)与黑洞内部其他的物质以及信息混杂在一起,似乎是无法检索的。


量子力学却认为:信息永远不会丢失,即使是信息在黑洞内部消失的时候这就导致了所谓的“黑洞信息悖论(black hole information paradox)


因此,一些物理学家们宣称,穿过事件视界掉进黑洞中的信息将永远消失;另一些物理学家们则认为,这种信息能被重建,只是需要等待很长时间,直到黑洞缩小为其原始尺寸的一半。黑洞缩小,是因为它们发出霍金辐射。霍金辐射是由黑洞边缘的量子力学波动引起的,并以现代物理学家斯蒂芬霍金的名字命名。


不幸地是,一个如同我们太阳质量大小的黑洞需要花费1067才能蒸发掉,这远远大于宇宙的年龄。


创新


然而,有一种”漏洞“可以让物质从黑洞中出来,更确切地说它就是虫洞。它可能会检索到这种正在落入的信息,而且速度比测量黑洞及其霍金辐射之间微弱的“纠缠”要快得多。


科学家们设想的虫洞旅行(图片来源:维基百科)


两个比特的信息(比如量子计算机中的量子位)联系得非常紧密,以至于其中一个的量子状态自动地决定另外一个量子状态,无论它们相隔有多遥远。此时,这两个量子位就是纠缠。物理学家们称之为“幽灵般的超距作用”,测量纠缠的量子位,会导致一个量子位的量子信息“隐形传输”至另一个量子位。


(图片来源:Christoph Hohmann / 慕尼黑纳米系统研究)


美国加州大学伯克利分校物理系助理教授 Norman Yao 表示:“一个人可以通过对黑洞发出的霍金光子进行大量量子计算,从而恢复掉进黑洞中的信息。这被认为真的很难。但是,如果量子力学值得相信,从原则上说,它是可以实现的。这正是我们此时此地所做的,但却是通过一台七量子位量子计算机中微型的三量子位‘黑洞’。”


通过将纠缠的量子位扔进黑洞,并研究出现的霍金辐射,你可以从理论上判断出黑洞中的量子位状态,好像为黑洞开了一扇窗。


下图所示:你可以从黑洞中提取信息吗?作为思想实验的一部分,物理学家 Alice 将一个量子位扔进黑洞,并询问Bob能否仅使用霍金辐射重构出量子位。

(图片来源:Emily Elisa Edwards/马里兰大学)


Yao 以及来自马里兰大学和加拿大安大略省沃特卢的普里美特理论物理研究所的同事们,在3月6日的《自然(Nature)》期刊上的一篇论文中报告了他们的成果。


下图所示:马里兰大学物理系们构造的一台七量子位的量子计算机电路,采用量子隐形传输来检测信息的置乱。这类似于让信息通过一个“可穿越时空”的虫洞,使得Bob可以识别Alice扔进黑洞中的量子位。

(图片来源:Emily Elisa Edwards/马里兰大学)


技术


Yao 感兴趣的是理解量子混沌的天性。Yao 向他的朋友和同事 Beni Yoshida(圆周理论物理研究所的一名理论学家)学到了:“如果信息在黑洞内被迅速地置乱,那么掉进黑洞的信息是可以恢复的”。信息通过黑洞混乱得越彻底,那么通过隐形传输检索到的信息就越可靠。基于这样的洞见,Yoshida 和 Yao 去年提议了一个实验,在量子计算机上证明性演示了这种置乱。


Yao 表示:“通过我们的协议,如果你测量到一个保真度足够高的隐形传输,那么你就可以保证在量子电路中发生了置乱。所以,然后我们给我的好友 Chris Monroe 打了电话。”


Monroe 是马里兰大学帕克分校的一名物理学家,他领导着一个世界领先的“囚禁离子”量子信息课题组。他决定尝试一下。他的课题组实现了由 Yoshida 和 Yao 提出来的协议,并有效地测量到了一种“超越时间顺序”的相关功能。


这些奇异的相关功能称为“OTOC”,是通过比较两种按照不同时序施加特定扰乱的量子状态来创造的。它的关键是在时间中让量子状态既可前进也可后退,从而理解第二次扰乱对于第一次扰乱产生的作用。


Monroe 的课题组创造出一种置乱的量子电路,它位于“囚禁离子”的七量子位量子计算机中的三个量子位上,并且描述了OTOC产生的衰退。OTOC的衰退通常被认为是混乱产生的强烈暗示。因此,这也证明了他们必须说明OTOC不会因为“消相干”而简单的衰退。也就是说,这并不仅是较差地屏蔽外面世界的噪声(这些噪声也会引起量子状态的崩溃)。


Yao 和 Yoshida 证明了这样的观点:他们可以检索的“纠缠”或者“隐形传输”的信息准确度越高,他们就可以越严格地为在OTOC中产生的混乱量设定更低的限制。


Monroe 及其同事们测量到一种可达约80%的隐形传输保真率,意味着一半的量子状态可能是混乱的,而另一半会由于消相干而衰退。尽管如此,这足以证明真正的混乱发生在三量子位的量子电路中。


价值


Yao 表示:“我们协议的一种可能应用,就是与量子计算机的基准测试相关。我们可能会采用这种技术诊断量子处理器中更为复杂的噪音和消相干形式。”


Yao 也正与加州大学伯克利分校 Irfan Siddiqi 领导的课题组展开合作,演示一个不同的量子系统中的置乱。这个量子系统就是超导三态量子位(qutrit):量子位具有三个状态而不是两个。加州大学伯克利分校教授 Siddiqi 也领导着在劳伦斯伯克利国家实验室展开的研究,致力于构建一个高级的量子计算试验台。


他说:“其核心就是一个量子位或者三态量子位实验,但是我们可以将它与宇宙学关联起来,因为我们相信量子信息的动力学是相同的。美国正在发起一个十亿美元的量子计划,对于量子信息动力学的理解联系着这一计划中的许多不同领域,例如量子电路和计算、高能物理、黑洞动力学、凝聚态物理、原子物理、分子物理和光学物理。对于我们理解所有这些不同的系统来说,量子信息的语言已经变得无处不在。


关键字


量子物理宇宙


参考资料


【1】https://news.berkeley.edu/2019/03/06/can-entangled-qubits-be-used-to-probe-black-holes/

【2】K. A. Landsman, C. Figgatt, T. Schuster, N. M. Linke, B. Yoshida, N. Y. Yao & C. Monroe. Verified quantum information scrambling. Nature, 2019 DOI: 10.1038/s41586-019-0952-6

【3】Beni Yoshida, Norman Y. Yao. Disentangling Scrambling and Decoherence via Quantum Teleportation. Physical Review X, 2019; 9 (1) DOI: 10.1103/PhysRevX.9.011006




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