有朝一日，糾纏的量子比特，可能會(huì )允許我們探索黑洞內部的神秘世界，就如這幅藝作品所展示的那樣。

　　物理學(xué)家使用一臺7-量子比特的量子計算機，模擬了黑洞內部信息的擾亂(scrambling)操作。這預示著(zhù)人們可以用糾纏的量子比特來(lái)探測黑洞這一奇異物體神秘的內部。

　　擾亂發(fā)生在物體消失于黑洞內部的時(shí)候，附著(zhù)在物體上的所有信息，從它所有組成成分的特征，到組成它的基本粒子的能量和動(dòng)量，都和黑洞內部其它的物質(zhì)和信息雜亂無(wú)章的混合起來(lái)，看起來(lái)我們不可能再重新得到它。

　　這導致了所謂的黑洞信息悖論，因為量子力學(xué)說(shuō)信息從來(lái)不會(huì )丟失，即使在信息消失進(jìn)黑洞的時(shí)候。

　　因此，有些物理學(xué)家聲稱(chēng)掉入黑洞事件視界的信息永遠的消失了，也有一些其他科學(xué)家聲稱(chēng)信息可以被重構出來(lái)，但是要等上很長(cháng)一段時(shí)間-----直到黑洞縮小到它原來(lái)的一半的時(shí)候。黑洞縮小是由于霍金輻射引起的，而霍金輻射是由黑洞邊緣的量子漲落引起的，它得名于物理學(xué)家斯蒂芬霍金。

　　不幸的是，一個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量大小的黑洞要花 1067 年來(lái)蒸發(fā)掉，比宇宙的年齡要長(cháng)的多。

　　我們能夠從黑洞中提取信息嗎?我們可以做一個(gè)思想實(shí)驗。假設有一個(gè)物理學(xué)家 Alice，把一個(gè)量子比特丟進(jìn)黑洞中，然后問(wèn) Bob 是否能夠通過(guò)輻射出來(lái)的霍金輻射重構出這個(gè)量子比特。

　　而其實(shí)，這里有一個(gè)“漏洞”----即存在一個(gè)蟲(chóng)洞，通向這個(gè)黑洞的外部。通過(guò)測量黑洞和它輻射出的霍金輻射之間微妙的糾纏，我們能夠更快速的重新獲得這個(gè)掉入黑洞的信息。

　　量子計算機中的兩個(gè)量子比特，當他們糾纏時(shí)，他們是緊密聯(lián)系在一起的，一個(gè)比特的量子態(tài)自動(dòng)的決定另外一個(gè)的量子態(tài)，不論它們離得有多遠。物理學(xué)家稱(chēng)之為“鬼魅般的超距作用”，對于糾纏的量子比特的觀(guān)測可以導致量子信息從一個(gè)量子比特傳到另一個(gè)。

　　“通過(guò)對于向黑洞外傳播的霍金光子做一個(gè)繁難的量子計算，我們可以重構出一個(gè)掉入黑洞的信息。” 諾曼·姚(NormanYao)說(shuō)，他是加州大學(xué)伯克利分校的助理教授，并且是勞倫斯伯克利國家實(shí)驗室的科學(xué)家。“這一計算被認為是非常非常困難的，但是只要我們相信量子力學(xué)是對的，那么原則上，它是可能的。這正是我們正在做的事情，不過(guò)這里我們是在這個(gè)七比特的量子計算機中對由三個(gè)比特組成的小“黑洞”來(lái)做的。

　　通過(guò)將糾纏的量子比特扔進(jìn)黑洞，然后研究其出現的霍金輻射，你可以在理論上確定黑洞內部的一個(gè)態(tài)，這給黑洞內部這一通常意義上的深淵之地打開(kāi)一扇窗。

　　姚是現伯克利量子算法實(shí)驗室的成員，他和他在馬里蘭大學(xué)以及在圓周物理研究所的同事們，將會(huì )在 3 月 7 號 Nature 雜志上出現的一篇文章中匯報他們的結果。

　　傳態(tài)

　　姚的研究興趣是理解量子混沌的本質(zhì)。他從他的同事兼好友，圓周研究所的一個(gè)理論學(xué)家吉田紅(Beni Yoshida)那里學(xué)到了一件事，即如果信息編碼在黑洞內部被“擾亂(scrambled)”的足夠快的話(huà)，重構出掉進(jìn)黑洞的量子信息是可能的。信息在黑洞中混合的越徹底，越能夠通過(guò)量子傳態(tài)的方法來(lái)重新獲得這個(gè)信息?；谶@個(gè)觀(guān)點(diǎn)，吉田和姚在去年想到了一個(gè)描述量子計算機的“擾亂”的實(shí)驗。

　　由馬里蘭大學(xué)的物理學(xué)家構建的七比特量子計算機電路，這個(gè)電路用量子傳態(tài)來(lái)檢測信息的擾亂。它和通過(guò)一個(gè)可穿越蟲(chóng)洞來(lái)實(shí)現信息傳輸是相似的，可以允許 Bob 來(lái)定出 Alice 扔進(jìn)黑洞的量子態(tài)。

　　“通過(guò)我們系統的協(xié)議，如果你測量到一個(gè)保真度足夠高的量子傳態(tài)過(guò)程，你就能確定在量子電路中發(fā)生了一次擾亂。”姚說(shuō)，“然后，我就打電話(huà)給了我的伙伴，Chris Monroe。”

　　Monroe 是馬里蘭大學(xué)帕克分校的物理學(xué)家，他領(lǐng)導了一個(gè)世界領(lǐng)先的離子阱量子信息實(shí)驗組。他決定試一試這個(gè)想法，于是他和他的團隊做了吉田和姚提出的這個(gè)方案，然后高效地測量了非時(shí)序關(guān)聯(lián)函數(OTOC)。

　　OTOC 這個(gè)奇怪的關(guān)聯(lián)函數是在施加一定的驅動(dòng)或微擾之后比較不同時(shí)刻的兩個(gè)量子態(tài)而得到的。其重點(diǎn)在于其能夠在時(shí)間上向前和向后演化一個(gè)量子態(tài)，用以理解第二個(gè)擾動(dòng)對第一個(gè)擾動(dòng)的影響。

　　Monroe 的實(shí)驗組在一個(gè)七比特的離子阱量子計算機上創(chuàng )造了一個(gè)三比特的量子擾碼電路，然后得到了 OTOC 的耗散行為。盡管 OTOC 的耗散是擾亂發(fā)生的一個(gè)強烈特征，但為了證明這一點(diǎn)，還需要說(shuō)明這個(gè)耗散不是由退相干產(chǎn)生的簡(jiǎn)單耗散——即它不是因為沒(méi)有做好系統和外界環(huán)境噪音的隔離而產(chǎn)生的。

　　姚和吉田證明了，它們能夠獲得的糾纏或者傳輸的信息的準確度越高，他們越能夠對出現在 OTOC 中的擾亂的程度給一個(gè)嚴格的下限。這是因為，如果一個(gè)信息從一個(gè)原子到另一個(gè)原子之間成功地通過(guò)量子傳態(tài)傳輸了，這就意味著(zhù)第一個(gè)原子的態(tài)在所有原子之間都傳播了，而這只有在信息發(fā)生擾亂時(shí)才會(huì )發(fā)生。當然，如果信息丟失了，量子傳態(tài)將不會(huì )成功。對于一個(gè)任意的，我們不知道具體發(fā)生的擾亂是什么的過(guò)程，這個(gè)方法可能被用來(lái)檢驗量子比特是否被擾亂或者被擾亂了多少。

　　Monroe 和他的同事測到的傳輸的保真度至少為 80%，這意味著(zhù)可能一半的量子態(tài)都被擾亂了，而另外一半由退相干而衰減。但至少，它也足夠說(shuō)明擾亂在這個(gè)3-比特量子電路中的確發(fā)生了。

　　“我們的協(xié)議的一個(gè)可能的應用與量子計算機的標志問(wèn)題緊密相關(guān)，或許可以用這個(gè)技術(shù)來(lái)判斷更復雜的不同類(lèi)型的噪音和量子處理器中的退相干。姚說(shuō)，判斷噪音對量子模擬的影響的能力是創(chuàng )造更好的糾錯算法，以及通過(guò)目前的有噪音量子計算機得到更精確答案的關(guān)鍵。

　　姚還與 Irfan Siddiqi 領(lǐng)導的來(lái)自伯克利的研究組合作。Siddiqi 是加州大學(xué)伯克利分校，來(lái)自伯克利實(shí)驗室的一位物理學(xué)家，他正在努力構建一個(gè)先進(jìn)的量子計算實(shí)驗平臺。他們一起研究另一個(gè)不同的量子系統“超導量子三態(tài)(superconducting qutrits)”的擾亂。而量子三態(tài)是一個(gè)有著(zhù)三個(gè)態(tài)而不是兩個(gè)態(tài)的量子比特。

　　“從本質(zhì)上講，這是一個(gè)量子比特或量子三態(tài)實(shí)驗，但事實(shí)上我們可以將它與宇宙學(xué)聯(lián)系起來(lái)，因為我們相信其與量子信息的動(dòng)力學(xué)是相同的，”他說(shuō)。“美國正在推出一項價(jià)值數十億美元的量子項目議案，理解量子信息的動(dòng)力學(xué)可以將這項議案的許多研究領(lǐng)域聯(lián)系起來(lái)，比如量子電路和量子計算，高能物理，黑洞動(dòng)力學(xué)，凝聚態(tài)物理，以及原子、分子和光物理。量子信息已經(jīng)成為我們理解所有這些不同系統的普遍語(yǔ)言。

超大質(zhì)量黑洞的示意圖

　　Monroe 說(shuō)：“不論真實(shí)的黑洞是不是一個(gè)好的量子比特擾碼器系統，在實(shí)驗室研究量子擾亂可以給量子計算和量子模擬的未來(lái)發(fā)展提供一個(gè)有用的啟發(fā)。”
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