纠缠的量子比特可以用来探测黑洞吗？

量子信息和量子纠缠对于我们理解黑洞的本质具有重要意义，通过应用量子信息的概念，我们对于黑洞原有的认识正在发生深刻的改变。最近在Nature上，Norman Yao团队在量子电路中成功的模拟了黑洞对于信息的扰乱行为。这一重要工作似乎预示了对于黑洞本质的探索也需要实验学家们的努力。

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有朝一日,纠缠的量子比特，可能会允许我们探索黑洞内部的神秘世界，就如这幅艺作品所展示的那样。

物理学家使用一台7－量子比特的量子计算机，模拟了黑洞内部信息的扰乱（scrambling）操作。这预示着人们可以用纠缠的量子比特来探测黑洞这一奇异物体神秘的内部。

扰乱发生在物体消失于黑洞内部的时候，附着在物体上的所有信息，从它所有组成成分的特征，到组成它的基本粒子的能量和动量，都和黑洞内部其它的物质和信息杂乱无章的混合起来，看起来我们不可能再重新得到它。

这导致了所谓的黑洞信息悖论，因为量子力学说信息从来不会丢失，即使在信息消失进黑洞的时候。

因此，有些物理学家声称掉入黑洞事件视界的信息永远的消失了，也有一些其他科学家声称信息可以被重构出来，但是要等上很长一段时间-----直到黑洞缩小到它原来的一半的时候。黑洞缩小是由于霍金辐射引起的，而霍金辐射是由黑洞边缘的量子涨落引起的，它得名于物理学家斯蒂芬霍金。

不幸的是，一个太阳质量大小的黑洞要花1067 年来蒸发掉，比宇宙的年龄要长的多。

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我们能够从黑洞中提取信息吗？我们可以做一个思想实验。假设有一个物理学家Alice，把一个量子比特丢进黑洞中，然后问Bob是否能够通过辐射出来的霍金辐射重构出这个量子比特。

而其实，这里有一个“漏洞”----即存在一个虫洞，通向这个黑洞的外部。通过测量黑洞和它辐射出的霍金辐射之间微妙的纠缠，我们能够更快速的重新获得这个掉入黑洞的信息。

量子计算机中的两个量子比特，当他们纠缠时，他们是紧密联系在一起的，一个比特的量子态自动的决定另外一个的量子态，不论它们离得有多远。物理学家称之为“鬼魅般的超距作用”，对于纠缠的量子比特的观测可以导致量子信息从一个量子比特传到另一个。

“通过对于向黑洞外传播的霍金光子做一个繁难的量子计算，我们可以重构出一个掉入黑洞的信息。” 诺曼·姚（NormanYao）说，他是加州大学伯克利分校的助理教授，并且是劳伦斯伯克利国家实验室的科学家。“这一计算被认为是非常非常困难的，但是只要我们相信量子力学是对的，那么原则上，它是可能的。这正是我们正在做的事情，不过这里我们是在这个七比特的量子计算机中对由三个比特组成的小“黑洞”来做的。

通过将纠缠的量子比特扔进黑洞，然后研究其出现的霍金辐射，你可以在理论上确定黑洞内部的一个态，这给黑洞内部这一通常意义上的深渊之地打开一扇窗。

姚是现伯克利量子算法实验室的成员，他和他在马里兰大学以及在圆周物理研究所的同事们，将会在3月7号Nature杂志上出现的一篇文章中汇报他们的结果。

传态

姚的研究兴趣是理解量子混沌的本质。他从他的同事兼好友，圆周研究所的一个理论学家吉田红（Beni Yoshida）那里学到了一件事，即如果信息编码在黑洞内部被“扰乱（scrambled）”的足够快的话，重构出掉进黑洞的量子信息是可能的。信息在黑洞中混合的越彻底，越能够通过量子传态的方法来重新获得这个信息。基于这个观点，吉田和姚在去年想到了一个描述量子计算机的“扰乱”的实验。

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由马里兰大学的物理学家构建的七比特量子计算机电路，这个电路用量子传态来检测信息的扰乱。它和通过一个可穿越虫洞来实现信息传输是相似的，可以允许Bob来定出Alice扔进黑洞的量子态。

“通过我们系统的协议，如果你测量到一个保真度足够高的量子传态过程，你就能确定在量子电路中发生了一次扰乱。”姚说，“然后，我就打电话给了我的伙伴，Chris Monroe。”

Monroe是马里兰大学帕克分校的物理学家，他领导了一个世界领先的离子阱量子信息实验组。他决定试一试这个想法，于是他和他的团队做了吉田和姚提出的这个方案，然后高效地测量了非时序关联函数（OTOC）。

OTOC这个奇怪的关联函数是在施加一定的驱动或微扰之后比较不同时刻的两个量子态而得到的。其重点在于其能够在时间上向前和向后演化一个量子态，用以理解第二个扰动对第一个扰动的影响。

Monroe的实验组在一个七比特的离子阱量子计算机上创造了一个三比特的量子扰码电路，然后得到了OTOC的耗散行为。尽管OTOC的耗散是扰乱发生的一个强烈特征，但为了证明这一点，还需要说明这个耗散不是由退相干产生的简单耗散——即它不是因为没有做好系统和外界环境噪音的隔离而产生的。

姚和吉田证明了，它们能够获得的纠缠或者传输的信息的准确度越高，他们越能够对出现在OTOC中的扰乱的程度给一个严格的下限。这是因为，如果一个信息从一个原子到另一个原子之间成功地通过量子传态传输了，这就意味着第一个原子的态在所有原子之间都传播了，而这只有在信息发生扰乱时才会发生。当然，如果信息丢失了，量子传态将不会成功。对于一个任意的，我们不知道具体发生的扰乱是什么的过程，这个方法可能被用来检验量子比特是否被扰乱或者被扰乱了多少。

Monroe和他的同事测到的传输的保真度至少为80%，这意味着可能一半的量子态都被扰乱了，而另外一半由退相干而衰减。但至少，它也足够说明扰乱在这个3-比特量子电路中的确发生了。

“我们的协议的一个可能的应用与量子计算机的标志问题紧密相关，或许可以用这个技术来判断更复杂的不同类型的噪音和量子处理器中的退相干。姚说，判断噪音对量子模拟的影响的能力是创造更好的纠错算法，以及通过目前的有噪音量子计算机得到更精确答案的关键。

姚还与Irfan Siddiqi领导的来自伯克利的研究组合作。Siddiqi是加州大学伯克利分校，来自伯克利实验室的一位物理学家，他正在努力构建一个先进的量子计算实验平台。他们一起研究另一个不同的量子系统“超导量子三态（superconducting qutrits）”的扰乱。而量子三态是一个有着三个态而不是两个态的量子比特。

“从本质上讲，这是一个量子比特或量子三态实验，但事实上我们可以将它与宇宙学联系起来，因为我们相信其与量子信息的动力学是相同的，”他说。“美国正在推出一项价值数十亿美元的量子项目议案，理解量子信息的动力学可以将这项议案的许多研究领域联系起来，比如量子电路和量子计算，高能物理，黑洞动力学，凝聚态物理，以及原子、分子和光物理。量子信息已经成为我们理解所有这些不同系统的普遍语言。

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超大质量黑洞的示意图。

Monroe说：“不论真实的黑洞是不是一个好的量子比特扰码器系统，在实验室研究量子扰乱可以给量子计算和量子模拟的未来发展提供一个有用的启发。”

Nature杂志上的文章链接：https://www.nature.com/articles/s41586-019-0952-6

（来源：中科院理论物理研究所翻译：安宇森审校：黄云鹏）

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