糾纏的量子比特可以用來探測黑洞嗎？
量子信息和量子糾纏對於我們理解黑洞的本質具有重要意義，通過應用量子信息的概念，我們對於黑洞原有的認識正在發生深刻的改變。最近在Nature上，Norman Yao團隊在量子電路中成功的模擬了黑洞對於信息的擾亂行為。這一重要工作似乎預示了對於黑洞本質的探索也需要實驗學家們的努力。
有朝一日,糾纏的量子比特，可能會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。
物理學家使用一台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。這預示著人們可以用糾纏的量子比特來探測黑洞這一奇異物體神秘的內部。
擾亂發生在物體消失於黑洞內部的時候，附著在物體上的所有信息，從它所有組成成分的特徵，到組成它的基本粒子的能量和動量，都和黑洞內部其它的物質和信息雜亂無章的混合起來，看起來我們不可能再重新得到它。
這導致了所謂的黑洞信息悖論，因為量子力學說信息從來不會丟失，即使在信息消失進黑洞的時候。
因此，有些物理學家聲稱掉入黑洞事件視界的信息永遠的消失了，也有一些其他科學家聲稱信息可以被重構出來，但是要等上很長一段時間—–直到黑洞縮小到它原來的一半的時候。黑洞縮小是由於霍金輻射引起的，而霍金輻射是由黑洞邊緣的量子漲落引起的，它得名於物理學家斯蒂芬霍金。
不幸的是，一個太陽質量大小的黑洞要花1067 年來蒸發掉，比宇宙的年齡要長的多。
我們能夠從黑洞中提取信息嗎？我們可以做一個思想實驗。假設有一個物理學家Alice，把一個量子比特丟進黑洞中，然後問Bob是否能夠通過輻射出來的霍金輻射重構出這個量子比特。
而其實，這裡有一個“漏洞”—-即存在一個蟲洞，通向這個黑洞的外部。通過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掉入黑洞的信息。
量子計算機中的兩個量子比特，當他們糾纏時，他們是緊密聯繫在一起的，一個比特的量子態自動的決定另外一個的量子態，不論它們離得有多遠。物理學家稱之為“鬼魅般的超距作用”，對於糾纏的量子比特的觀測可以導致量子信息從一個量子比特傳到另一個。
“通過對於向黑洞外傳播的霍金光子做一個繁難的量子計算，我們可以重構出一個掉入黑洞的信息。” 諾曼·姚（NormanYao）說，他是加州大學伯克利分校的助理教授，並且是勞倫斯伯克利國家實驗室的科學家。“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是對的，那麼原則上，它是可能的。這正是我們正在做的事情，不過這裡我們是在這個七比特的量子計算機中對由三個比特組成的小“黑洞”來做的。
通過將糾纏的量子比特扔進黑洞，然後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態，這給黑洞內部這一通常意義上的深淵之地打開一扇窗。
姚是現伯克利量子算法實驗室的成員，他和他在馬里蘭大學以及在圓周物理研究所的同事們，將會在3月7號Nature雜誌上出現的一篇文章中匯報他們的結果。
傳態
姚的研究興趣是理解量子混沌的本質。他從他的同事兼好友，圓周研究所的一個理論學家吉田紅（Beni Yoshida）那裡學到了一件事，即如果信息編碼在黑洞內部被“擾亂（scrambled）”的足夠快的話，重構出掉進黑洞的量子信息是可能的。信息在黑洞中混合的越徹底，越能夠通過量子傳態的方法來重新獲得這個信息。基於這個觀點，吉田和姚在去年想到了一個描述量子計算機的“擾亂”的實驗。
由馬里蘭大學的物理學家構建的七比特量子計算機電路，這個電路用量子傳態來檢測信息的擾亂。它和通過一個可穿越蟲洞來實現信息傳輸是相似的，可以允許Bob來定出Alice扔進黑洞的量子態。
“通過我們系統的協議，如果你測量到一個保真度足夠高的量子傳態過程，你就能確定在量子電路中發生了一次擾亂。”姚說，“然後，我就打電話給了我的伙伴，Chris Monroe。”
Monroe是馬里蘭大學帕克分校的物理學家，他領導了一個世界領先的離子阱量子信息實驗組。他決定試一試這個想法，於是他和他的團隊做了吉田和姚提出的這個方案，然後高效地測量了非時序關聯函數（OTOC）。
OTOC這個奇怪的關聯函數是在施加一定的驅動或微擾之後比較不同時刻的兩個量子態而得到的。其重點在於其能夠在時間上向前和向後演化一個量子態，用以理解第二個擾動對第一個擾動的影響。
Monroe的實驗組在一個七比特的離子阱量子計算機上創造了一個三比特的量子擾碼電路，然後得到了OTOC的耗散行為。儘管OTOC的耗散是擾亂發生的一個強烈特徵，但為了證明這一點，還需要說明這個耗散不是由退相干產生的簡單耗散——即它不是因為沒有做好系統和外界環境噪音的隔離而產生的。
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嚴格的下限。這是因為，如果一個信息從一個原子到另一個原子之間成功地通過量子傳態傳輸了，這就意味著第一個原子的態在所有原子之間都傳播了，而這只有在信息發生擾亂時才會發生。當然，如果信息丟失了，量子傳態將不會成功。對於一個任意的，我們不知道具體發生的擾亂是什麼的過程，這個方法可能被用來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%，這意味著可能一半的量子態都被擾亂了，而另外一半由退相干而衰減。但至少，它也足夠說明擾亂在這個3-比特量子電路中的確發生了。
“我們的協議的一個可能的應用與量子計算機的標誌問題緊密相關，或許可以用這個技術來判斷更複雜的不同類型的噪音和量子處理器中的退相干。姚說，判斷噪音對量子模擬的影響的能力是創造更好的糾錯算法，以及通過目前的有噪音量子計算機得到更精確答案的關鍵。
姚還與Irfan Siddiqi領導的來自伯克利的研究組合作。Siddiqi是加州大學伯克利分校，來自伯克利實驗室的一位物理學家，他正在努力構建一個先進的量子計算實驗平台。他們一起研究另一個不同的量子系統“超導量子三態（superconducting qutrits）”的擾亂。而量子三態是一個有著三個態而不是兩個態的量子比特。
“從本質上講，這是一個量子比特或量子三態實驗，但事實上我們可以將它與宇宙學聯繫起來，因為我們相信其與量子信息的動力學是相同的，”他說。“美國正在推出一項價值數十億美元的量子項目議案，理解量子信息的動力學可以將這項議案的許多研究領域聯繫起來，比如量子電路和量子計算，高能物理，黑洞動力學，凝聚態物理，以及原子、分子和光物理。量子信息已經成為我們理解所有這些不同系統的普遍語言。
超大質量黑洞的示意圖。
Monroe說：“不論真實的黑洞是不是一個好的量子比特擾碼器系統，在實驗室研究量子擾亂可以給量子計算和量子模擬的未來發展提供一個有用的啟發。”
Nature雜誌上的文章鏈接：
翻譯：安宇森審校：黃雲鵬