由伯克利實驗室、加州大學伯克利分校科學家領導的團隊建立了一種新型的量子處理器，能夠像理論上的黑洞那樣進行信息擾亂。由勞倫斯伯克利國家實驗室（伯克利實驗室）和加州大學伯克利分校的物理學家領導的團隊已經成功地觀察到了量子信息的擾動，這被認為是黑洞行為的基礎，

使用qutrits信息存儲量子單元可以同時代表三個獨立的狀態。他們的努力也為建立一個基於qutrits的量子信息處理器鋪平了道路。

最近發表在《物理評論》（Physical Review X）雜誌上的這項新研究利用了一個量子電路，其靈感來自長期存在的物理學問題。當信息進入黑洞時會發生什麼？

除了與宇宙學和基礎物理學的聯繫之外，該團隊的技術里程碑使該實驗成為可能，這代表了在使用更複雜的量子處理器進行量子計算、密碼學和誤差檢測等應用方面的重要進展。

雖然黑洞被認為是宇宙中最具破壞性的力量之一–物質和光無法逃脫其牽引，一旦進入就會被迅速徹底擾亂–但關於信息在進入黑洞後是否會丟失以及如何丟失，一直存在著相當大的爭議。已故物理學家斯蒂芬-霍金（Stephen Hawking）表明，黑洞隨著時間的推移慢慢蒸發，會發出輻射–現在被稱為霍金輻射。原則上，這種輻射可以攜帶關於黑洞內部的信息–甚至允許重建進入黑洞的信息。

而通過使用一種被稱為糾纏的量子特性，有可能大大加快這種重建的速度，正如早期工作中所顯示的那樣。

量子糾纏違背了經典物理學的規則，允許粒子即使相隔很遠也能保持相關，因此一個粒子的狀態會告知你其糾纏夥伴的狀態。例如，如果你有兩枚糾纏在一起的硬幣，當你看到其中一枚硬幣時，知道它是正面的會自動告訴你另一枚糾纏的硬幣是反面的。

量子計算的大多數努力都是通過將信息編碼為糾纏的量子比特，即所謂的量子比特（發音為CUE-bits）來挖掘這種現象。像傳統的計算機比特一樣，它可以保持零或一的值，量子比特也可以是零或一。但除此之外，一個量子比特可以以疊加的方式存在，即同時為一和零。就硬幣而言，它就像一個翻轉的硬幣，可以代表正面或反面，也可以同時代表正面和反面的疊加。

向量子計算機添加的每一個量子比特都會使其計算能力翻倍，而當使用能夠存儲更多數值的量子比特，如qutrits（發音為CUE-trits）時，這種指數級的增長會激增。正因為如此，需要更少的量子比特，甚至更少的qutrits或qudits–它描述了具有三個或更多狀態的量子單元來執行複雜的算法，能夠顯示出解決使用傳統計算機無法解決的問題的能力。也就是說，要建造具有大量量子比特的量子計算機，在以真正的量子方式解決問題時能夠可靠有效地運行，還存在著一些技術障礙。

在這項最新的研究中，研究人員詳細介紹了他們是如何開發出一個能夠使用一系列五個量子比特進行編碼和傳輸信息的量子處理器的，每個量子比特可以同時代表三種狀態。儘管量子電路的環境通常是嘈雜的、不完善的和容易出錯的，但他們發現他們的平台被證明具有令人驚訝的彈性和穩健性。

Qutrits的值可以是0、1或2，在疊加中保持所有這些狀態。在硬幣的比喻中，它就像一枚硬幣，有可能出現頭，有可能出現尾，也有可能落在它的薄邊上。

“伯克利實驗室材料科學部的科學家、加州大學伯克利分校物理學助理教授Norman Yao說：”黑洞是一個非常好的信息編碼器，他幫助領導了該實驗的規劃和設計。”它很快就把它抹掉了，所以任何局部噪音都很難破壞這些信息。”

一個思想實驗的插圖，其中愛麗絲掉進黑洞的信息被外部觀察者鮑勃恢復

該團隊著手在一個實驗中復制這種快速的量子信息塗抹，或者說是擾亂，該實驗使用被稱為非線性諧波振盪器的微小設備作為qutrits。這些非線性諧波振盪器本質上是亞微米大小的彈簧砝碼，當受到微波脈衝的影響時，可以被驅動到幾個不同的頻率。

該研究的主要作者Irfan Siddiqi指出，使這些振盪器作為qutrits工作的一個共同問題是，它們的量子性質往往會通過一種叫做退相干的機制迅速分解，因此很難區分信息擾亂是真正的量子化還是由於這種退相干或其他干擾。

Siddiqi是伯克利實驗室高級量子測試平台的主任，也是實驗室計算研究和材料科學部門的科學家，同時還是加州大學伯克利分校的物理學教授。

該測試平台於2020年開始接受來自量子科學界的提案，是一個合作研究實驗室，為那些想要探索如何利用超導量子處理器來推動科學研究的用戶提供開放、免費的訪問。擾亂的演示是該試驗台用戶計劃的首批成果之一。

這項研究的一個關鍵是保持振盪器攜帶的信號的相干性，或有序的圖案加上足夠長的時間，以確認量子擾動是通過qutrit的遠程傳輸發生的。雖然遠距傳輸可能會讓人聯想到科幻小說中的人或物從星球表面”傳送”到宇宙飛船上，但在這種情況下，只是通過量子糾纏將信息，而不是物質，從一個地方傳輸到另一個地方。

另一個重要部分是科學家們創造了定制的邏輯門，使”通用量子電路”得以實現，可用於運行任意的算法。這些邏輯門允許成對的qutrits相互作用，並被設計用來處理由微波脈衝產生的三種不同級別的信號。

實驗中五個qutrits中的一個作為輸入，其他四個qutrits是糾纏在一起的一對。由於qutrits糾纏的性質，在擾亂電路後，對其中一對qutrits的聯合測量確保了輸入qutrit的狀態被傳送到另一個qutrit。

研究人員使用一種被稱為量子過程斷層掃描的技術來驗證邏輯門是否工作，以及信息是否被適當地擾亂，以便它同樣可能出現在量子電路的任何特定部分。思考糾纏的量子如何傳輸信息的一種方式是把它比作一個黑洞。就好像有一個黑洞和該黑洞的鏡像版本，因此，在鏡像黑洞的一側傳遞的信息通過糾纏傳輸到另一側。

展望未來，研究人員對利用qutrits的力量進行與可穿越的蟲洞有關的研究特別感興趣，蟲洞是連接宇宙中不同位置的理論通道。