紀念霍金：可以使用糾纏的量子比特探測黑洞嗎？_風聞

今天是霍金紀念日，他於去年3月14日離世，霍金是現代最偉大的物理學家之一。

3月14日是國際圓周率日，也是愛因斯坦的生日，還是馬克思逝世紀念日。

黑洞及霍金輻射

黑洞是質量極大、引力極強的天體，進入史瓦西半徑的任何可見物質和輻射都無法逃逸，類似熱力學上的黑體，故名黑洞。但這產生了新的問題：如果攜帶熵的物質進入黑洞後，豈不是熵也被消滅了？這是否違背了熱力學第二定律？

霍金在論文中闡明：因為黑洞不斷吞噬物質，所以黑洞的事件視界表面積永不會減少，兩個黑洞合併後的表面積不會小於原先兩個表面面積之和，這後來被稱為黑洞熱力學第二定律。雅各布·貝肯斯坦據此提出了黑洞熵的概念，他認為黑洞的表面積可以用來度量熵，黑洞的表面積與它的熵成正比，這樣就不會違反熱力學第二定律。

霍金原本認為，黑洞不能輻射出任何能量，因此黑洞不具有熵。但後來霍金研究了量子引力之後，修改了他的觀點：黑洞會持續輻射粒子，其能譜符合熱力學黑體輻射的物理性質。這樣一來，雖然支持了貝肯斯坦關於熵的推論，但是好像又與黑洞熱力學第二定律矛盾了。

對這個矛盾的解釋就是霍金在物理學上的主要成就：

根據海森堡測不準原理，“真空”是不存在的，“真空”中會自然地產生出虛粒子對，每一對虛粒子都由一個正能量粒子和一個負能量粒子組成，總能量為零，並在極短的時間相互湮滅。這樣即不會違反量子力學，也不會違反能量與物質守恆。

當這種量子現象發生在黑洞的視界邊緣時，如果正能量虛粒子在湮滅前逃逸，而負能量的虛粒子在湮滅前進入黑洞視界，它們就不會相互湮滅，逃逸的正能量虛粒子成為有質量的實粒子，由質量和能量守恆定律，視界之內的虛粒子為負質量，所以黑洞的質量會因此而減少。外界看來黑洞好像在慢慢蒸發，這就是霍金輻射。32歲的霍金以此成就入選英國皇家學會院士。

黑洞信息佯謬

當物質消失在黑洞時，關於它的所有信息會在黑洞內與其他落入的物質和信息混淆在一起，包括物質的組成成分及其所有基本粒子的能量和動量，似乎再也不能分辨，其結果就是所謂”黑洞沒有毛“，然而，如果進入黑洞的物質是純量子態，其狀態最終會被變換成為霍金輻射的混合態，進而毀滅原量子態的信息，這違反了劉維爾定理對信息守恆的預測並導致了所謂的“黑洞信息佯謬”。

因此一些物理學家認為即使信息進入黑洞也不會丟失，霍金曾為此跟他們打賭，一名堅持信息不會丟失的物理學家專門寫了一本書叫《黑洞戰爭》專述此事。後來霍金認輸，並在論文中提到事件視界的量子攝動可能允許信息從黑洞中逃出。

黑洞信息佯謬的幾種解釋

·信息永久喪失；

·信息隨黑洞蒸發逐漸釋出；

·信息在黑洞蒸發殆盡時瞬間釋出；

·信息被儲存在普朗克尺度殘餘；

·信息被儲存在從本宇宙分離的子宇宙；

·信息被儲存在未來與過去之間的關聯。

這些觀點似乎都存在明顯的優點與缺點。

量子糾纏

在量子力學中，幾個粒子在彼此相互作用後，由於各個粒子所擁有的特性已綜合成為整體性質，無法單獨描述各個粒子的性質，只能描述整體系統的性質，這個現象被稱為量子糾纏。

雖然愛因斯坦稱之為“鬼魅般的超距作用”並認為量子力學的表述不完備，然而多年來完成的多個實驗證實這個量子力學的反直覺預言是對的。

加州大學伯克利分校的量子計算機實驗

加州大學伯克利分校物理學助理教授諾曼·姚（Norman Yao）對了解量子混沌的本質很感興趣，他從周界研究所的理論物理學家吉田本尼(Beni Yoshida)瞭解到：即使信息在黑洞內被迅速混淆，也可以通過量子糾纏理論恢復落入黑洞的量子信息。基於這一觀點，他們去年提出了一個實驗草案。門羅（Monroe）是馬里蘭大學帕克分校的物理學家，領導着一個世界領先的量子信息研究小組，他的團隊決定試一試，利用7個比特位的量子計算機，設計並實現了吉田和姚提出的實驗草案，獲得了一些有效的測量數據。

圖片：加州伯克利大學，Norman Yao

他們將在本月出版的《自然》雜誌上發表一篇論文報告研究結果。

線索：

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

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