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时空本源是量子纠缠

2017-01-25 08:48 来源:光明日报

  2016年7月,斯坦福大学的物理学家帕特里克·海登(Patrick Hayden)在圆周理论物理研究所举办的“It from Qubit”会议中做讲座。

  量子计算机

  【环球科技】

  莎士比亚曾写下这样一句话:“整个世界是一个舞台。”物理学家也倾向于以这种方式思考,他们的舞台就是空间本身。在他们看来,对于空间中容纳的各种力和场的相互作用,空间有时仅仅只是一块背景。空间本身,按照传统的观点来看,并不是由其他什么东西构成的。

  然而,一些科学家开始质疑这一传统观点。空间——或者说广义相对论里的时空——实际上可能是由小块的信息组成的。根据这个想法,这些小块的信息通过彼此间的相互作用,创造出了时空并赋予其各种特性,比如引起引力效应。这个观点如果正确,就不仅能解释时空的起源,还可能帮助物理学家建立起他们追寻多年的量子引力理论。

  科学家希望通过量子计算和理论物理的结合,来研究时空是否是由微小的信息比特通过量子纠缠构建起来的。两大物理学理论是否能统一在一起至关重要,因为目前他们是不相容的。

  1.破解宇宙代码的畅想

  空间是由小块信息组成的这种可能性吸引了数百位物理学家,他们在“it from Qubit”项目的资助下每三个月左右碰面一次,进行讨论。项目名中的“it”指的是时空,“qubit”(量子比特,来自quantum bit)代表量子尺度下的最小可能信息量,类似于计算机中的bit(比特)。“it from Qubit”背后的设想是,宇宙由某种底层代码构筑而成,通过破解这些代码,物理学家最终可以找到一个方法,去理解宇宙中那些大尺度事件的量子本质。

  最近的一次“it from Qubit”(IfQ)会议于2016年7月在加拿大安大略省的圆周理论物理研究所举行。主办方原本预计约有90人注册,但是因为收到了太多的申请,结果最终不得不接收了200人,并在别的大学同时举办6个远程卫星会议。“我认为,就算由信息构成时空不是最有希望解决量子引力问题的途径,至少也是其中之一。”普林斯顿大学的博士后研究员内特·恩格尔哈特说。恩格尔哈特虽然不是“it from Qubit”项目的正式成员,但还是参加了其中不少会议,他说:“这方面的研究刚刚起步。”

  因为这个项目既涉及量子计算,又涉及时空与广义相对论的研究内容,所以它把两组以前没有什么交集的研究人员整合在了一起,其中一组是量子信息科学家,另一组是高能物理与弦理论领域的科学家。大约一年前,支持科学和数学研究的私人机构“西蒙斯基金会”拨款成立了“it from Qubit”合作项目,并资助物理学家在这个领域做研究以及开会讨论。自那以后,物理学家对这一课题的热情日益高涨,接连的会议吸引了越来越多的研究者,其中一些是西蒙斯基金会资助的这个合作项目的正式成员,还有许多人则单纯是对这个课题感兴趣。IfQ项目组的成员、圆周理论物理研究所的博士后研究员吉田红说:“这个项目正在解决一个非常重要但同时又非常困难的问题。合作是必要的,因为这看起来不像是一个人就能解决的问题。”

  这个计划甚至引起了项目外的科学家的注意。没有参与IfQ项目的哥伦比亚大学弦理论专家布莱恩·格林说:“如果理论物理与量子信息理论的结合真如人们预期的那样成功,那么这种结合将极有可能在空间和时间的理解上带来下一次革命。”

  2.纠缠与时空

  时空由比特或者什么别的东西“组成”的设想是与广义相对论的预言背道而驰的。新的观点认为,时空并不是基本的,而是通过量子比特的相互作用“涌现”出来的。这些比特到底是由什么构成的,它们又包含着哪些信息,科学家也不知道。然而,有趣的是,这些问题并未给科学家带来困扰。“重要的是比特之间的关系”而不是比特本身,IfQ项目组成员、斯坦福大学的博士后布莱恩·斯温格尔说:“这些集体关系是宇宙丰富物理特性的源泉。这里的关键不是它们的组成单元,而是这些单元组合在一起的方式。”

  这种组合的关键可能是一种被称为量子纠缠的奇怪现象,这是粒子之间可能存在的一种不可思议的关联,两个纠缠的粒子即使相隔很远,对其中一个粒子进行操作也会对第二个粒子造成影响。IfQ的首席研究员、宾夕法尼亚大学物理学家维贾伊·巴拉苏布拉马尼亚恩说:“最近有人提出了一个极为诱人的方案:时空的结构是由更基本的某种‘时空原子’通过量子纠缠编织而成的。如果这是真的,那实在是神奇。”

  这个想法背后的推理过程来自物理学家先前的一些发现,比伊利诺伊大学香槟分校的笠真生和京都大学的高柳匡在2006年合作发表的论文表明,时空的几何结构和纠缠存在着关联。在这项工作的基础上,2013年,普林斯顿高等研究院的物理学家胡安·马尔达西纳和斯坦福大学的物理学家伦纳德·萨斯坎德发现,如果两个黑洞纠缠在一起,它们就会产生虫洞,即广义相对论所预言的一种时空中的捷径。这项发现(根据提出虫洞和纠缠的科学家的名字,物理学家给两者的关系起了个绰号“ER=EPR”)和其他相关工作令人惊讶地表明,过去被认为不涉及实体联系的纠缠竟然能产生时空结构。

  要理解纠缠如何产生时空,物理学家首先必须更清楚地理解纠缠到底是怎样发挥作用的。自从1935年爱因斯坦和合作者预言了量子纠缠以来,就像爱因斯坦自己形容的那样,这种现象看上去一直“如幽灵般”神秘,因为两个相距甚远的粒子竟然可以发生瞬时联系,这看起来似乎破坏了一个铁律——任何东西都不能超过光速。最近,科学家一直在研究几种不同类型的纠缠。常规的纠缠涉及的是散布在空间中的多个同类粒子间单个属性(比如粒子的自旋)的关联。但是,“常规的纠缠是不够的”,巴拉苏布拉马尼亚恩说,“我已经认识到存在其他形式的纠缠,那些纠缠与这个重构时空的项目息息相关。”比如,可以让不同种类的粒子在同一个位置发生纠缠,即一种不涉及空间的纠缠。科学家也在着手攻克由更多数目的粒子相互纠缠而带来的令人眩晕的复杂性。

  科学家期望,一旦认清了纠缠的机制,他们就能够理解时空是怎么涌现出来的,就像空气中原子的微观运动产生热力学和天气的复杂模式一样。这些都是“涌现”现象,恩格尔哈特说,“当你把镜头拉远,从更宏观的角度看一个东西时,你会看到与之前不大一样的图像,你甚至不知这个图像来自于更小尺度的物理机制。这是IfQ最迷人的地方之一,因为我们现在还不清楚时空涌现背后的基本量子动力学。”

  3.二维理论

  这项工作的主要目标是得到一个理论,能从量子角度来描述引力。但是追求量子引力的物理学家在过去一个世纪里一直不断受阻。爱因斯坦自己生前就一直在顽强地寻求这样的理论,但直到他去世都没有成功。IfQ的科学家寄希望于一种名为全息原理的理论来帮助他们。

  这个原理是指,一些物理理论可以等价于低维宇宙中更简单的理论。就像一张二维明信片上面的独角兽全息图,它可以储存全部的必要信息,来描绘出独角兽的三维立体形状。因为找到一个可行的量子引力理论很难,但是按照全息原理,科学家可以尝试在比我们的宇宙维度更低的宇宙中找到一个易于操作的等价理论。

  全息原理一个最为成功的实例是名为AdS/CFT对偶(反德西特时空/共形场论对偶,anti-de Sitter/conformal field theory correspondence的首字母缩写)的理论。这个理论表明,我们完全可以通过描述黑洞的表面行为来描述黑洞本身。换言之,内部(三维的“体”)的物理规律完美地对应于外部(二维的“边界”)的物理规律。

  AdS/CFT或许能让物理学家找到一个与量子引力等价的理论,在完全不考虑引力的情况下,以更简单的方式完成相同的目标,描述相同的物理规律。巴拉苏布拉马尼亚恩说:“引力理论很难用量子化的方法描述,然而不包含引力的理论却可以很容易做到。”但是,可能有人会问,不包含引力的理论怎么能成为所谓的量子引力理论呢?也许,我们眼中的引力和时空,只是另外一种看待纠缠的最终产物的方式。换句话说,在某种程度上,是纠缠把三维体内的信息编码成了比特,并储存在二维边界上。

  在过去的20年里,科学家发现AdS/CFT对偶是奏效的——二维的理论的确可以描述三维的情形,这种机制被称为对偶——但是他们还没有完全理解为什么会这样。斯温格尔说:“(IfQ)有个值得期盼的成果,就是一个能够解释对偶机制的理论。我想,通过这样的合作,我们必然可以完成这个目标,或者至少(我们可以)在这个方向上取得重大进展。”

  量子信息理论或许能够有所帮助,因为该领域中一个叫作量子纠错码的概念也能够在AdS/CFT对偶中发挥作用。因为比特之间的纠缠会受到干扰,所以研究量子计算的科学家设计了这些纠错码以防止信息丢失。量子计算机并不是用单个比特编码信息的,它利用的是多个比特的高度纠缠态。这样一来,单个比特的错误将不会影响一条信息的准确度。但奇怪的是,量子纠错的数学规律同样出现在了AdS/CFT对偶里。科学家将多个比特纠缠在一起设计成纠错网络的方法,看起来也能用来把黑洞内部的信息通过纠缠编码到黑洞的边界上。希伯来大学的量子计算科学家,IfQ首席研究员多里特·阿哈罗诺夫说:“你在黑洞内部可以找到量子纠错码,这是一件非常有趣的事情。”

  即使物理学家成功理解了AdS/CFT的工作原理,从而设计出一个可以替代量子引力理论的低维理论,他们仍然没有获得成功。这个对应本身只对宇宙的“玩具模型”有效,而这一模型是对我们所处真实宇宙的简化。特别是,适用于我们真实宇宙的各种引力法则,并不适用于上述对应原理中的简化世界。“我们的宇宙一直在膨胀,AdS/CFT中虽然有某种形式的引力,但它不是能正确描述膨胀宇宙的引力理论,”斯温格尔说,“它描述的是一种像瓶子一样的宇宙——如果你发射一道光线,它会打到空间的墙面上再反射回来,这在我们所生活的膨胀宇宙里是不可能发生的。”这个模型给物理学家提供了一个有用的理论场地,去测试他们的想法,在简单的图像里,攻克量子引力会变得相对简单一些。

  一些质疑者说,如果IfQ建立在不真实的基础上,它能得到什么有意义的结果呢?“这无疑是一个非常有力的批评,”恩格尔哈特说,“为什么我们把注意力放在这个玩具模型上?这一方面是因为玩具模型本身是正确的,另一方面我们认为,玩具模型事实上可以代表我们的宇宙。我很确定的是,如果我们能完全理解玩具模型,我们就能理解真实的宇宙。”IfQ的研究者相信,从一个比较容易着手的简单图像开始,通过添加必需的复杂因素,最终能把上述理论应用到真实的世界中。

  4.又一次革命

  尽管有质疑声,但不管是这个项目组内,还是与项目无关的科学家都认为IfQ值得尝试。它已经开辟了新的研究领域。加利福尼亚大学伯克利分校的物理学家拉斐尔·布索说:“我长久以来就觉得量子信息和量子引力之间的联系极为重要。”布索虽然不是IfQ项目组成员,但和项目组的一些成员有合作。“这种联系在近些年不断加深,我很高兴看到如此多的杰出物理学家在一起工作,共同面对其中的问题。这最终会带我们走到哪里,让我们拭目以待吧。”同样不是IfQ项目组成员的斯坦福大学理论物理学家伊娃·西尔弗斯坦认同这一看法:“很明显,发展和运用量子信息来研究这些问题是值得去做的,但为了理解(量子引力的)动力学,我们需要做的还有很多,很重要的一点是,我们不能过于狭隘地把注意力只放在某一个方法上。”

  此外,即使这个项目没能给我们一个量子引力理论,它仍可能产生有价值的研究分支。比如,将弦理论和广义相对论的技术和想法运用到用量子信息问题中,将有助于我们以更好的方式定义不同类型的纠缠,从而帮助我们理解时空以及构造量子计算机。“当你把这些工具运用到新的环境中,很可能会得到在其他领域很有用的有趣想法,”阿哈罗诺夫说,“目前看来,研究者正在一些已经滞留多年的问题上取得进展,这是非常令人兴奋的。”比如,科学家已经发现,如果把虫洞看作量子电路,就有可能在虫洞里测量时间。

  更进一步说,把量子信息科学和弦理论结合起来,或许不仅有助于我们建立量子引力理论,还能帮助我们评判物理学家发现的任何一种理论。任何一个物理理论都可以看成一台计算机,它的输入和输出就相当于理论中可测的初态和末态。而有些计算机要比其他计算机更强大。一旦研究者得出一个量子引力理论,他们可以问,这个理论的计算能力是怎样的?“如果这个理论的计算能力太强,以至于可以计算在我们的世界中不可能计算的东西,那么我们至少会给这个理论打一个问号,”阿哈罗诺夫说,“这实际上是一种从不同的角度来判断该理论是否合理的方法。”

  该项目让一些物理学家想起了过去一些重大理论刚刚起步时那些激动人心的年代。“我在1984年开始读研究生,那一年恰逢所谓的第一次弦论革命,”加州理工学院的物理学家大栗博司说,“那是一个激动人心的时代,弦论逐渐成为大统一理论最有力的候选者。我看到,现在围绕这个项目的爆炸式热情就如同当年一样。对这个领域的年轻人来说,这无疑是一个令人兴奋的年代,对我们这些在几十年前拿到博士学位的人也是一样。”

  (本文作者是《科学美国人》负责太空和物理学领域的资深编辑。她在美国卫斯理大学获得了天文学和物理学的学士学位,并在加利福尼亚大学圣克鲁兹分校获得了科学记者硕士学位。本文翻译郭敏勇是北京师范大学物理系引力与相对论专业博士研究生)(由《环球科学》杂志社供稿)

(责任编辑:王蔚)

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