紀念霍金:可以使用糾纏的量子比特探測黑洞嗎?_風聞
酆都御史-仰观宇宙之大,俯察品类之盛2019-03-14 09:36

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