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2016年7月，斯坦福大学物理学家帕特里克·海登(Patrick Hayden)在圆周理论物理研究所举办的“量子比特信息”会议上发表演讲。
量子计算机
[全球技术]
莎士比亚曾写下这句话:“整个世界是一个舞台。”物理学家也倾向于这样思考。他们的阶段是空本身。在他们看来，空有时只是空中包含的各种力和场的相互作用的一个背景。根据传统观点，0+和+之间的空间不是由其他任何东西组成的。
然而，一些科学家开始质疑这一传统观点。空区间——或广义相对论中的时间空区间——实际上可能由小块信息组成。根据这一想法，这些小信息通过相互作用创造出时间空并赋予它们各种特征，如引起引力效应。如果这一观点是正确的，它不仅可以解释时间空的起源，还可以帮助物理学家建立他们追求多年的量子引力理论。
科学家们希望通过量子计算和理论物理的结合，来研究空是否是由微小的信息比特通过量子纠缠而构成的。这两个主要的物理理论能否统一是非常重要的，因为它们在目前是不相容的。
1.破解宇宙密码的想象
空空间由小块信息组成的可能性吸引了数百名物理学家，他们每三个月左右会面一次，在“来自量子位的信息”项目的支持下讨论这个问题。项目名称中的“it”指的是时间空，“qubit”(量子位，来自量子位)表示量子尺度上可能的最小信息量，类似于计算机中的位(bit)。“它来自量子位”背后的理念是宇宙是由某种潜在的代码构建的。通过破解这些密码，物理学家终于可以找到一种方法来理解宇宙中那些大规模事件的量子本质。
最近一次“量子信息技术”会议于2016年7月在加拿大安大略省圆周理论物理研究所举行。组织者最初预计大约有90人注册，但是因为他们收到太多的申请，他们最终不得不接受200人，并在其他大学举行6次远程卫星会议。“我认为，即使空不是解决量子引力问题最有希望的方法，它至少是其中之一。”普林斯顿大学博士后内特·恩格尔哈特说。尽管恩格尔哈特不是“从量子比特获取信息”项目的正式成员，但他参加了许多这样的会议，并说:“这个领域的研究才刚刚开始。”
因为这个项目不仅涉及量子计算，而且还涉及时间空和广义相对论的研究内容，所以它整合了以前没有交集的两组研究人员，一组是量子信息科学家，另一组是高能物理和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组织西蒙斯基金会(Simmons Foundation)资助了“从量子位获取信息”合作项目的建立，并资助物理学家在这一领域开展研究、举行会议和讨论。从那以后，物理学家对这个课题越来越感兴趣，连续的会议吸引了越来越多的研究人员，其中一些人是西蒙斯基金会资助的这个合作项目的正式成员，而许多人只是对这个课题感兴趣。“这个项目正在解决一个非常重要但非常困难的问题，”IfQ项目组成员、圆周理论物理研究所博士后研究员洪吉田说。合作是必要的，因为它看起来不是一个人能解决的问题。"
该计划甚至引起了项目外科学家的注意。哥伦比亚大学弦理论专家布莱恩·格林没有参与IfQ项目，他说:“如果理论物理和量子信息理论的结合像预期的那样成功，那么这种结合很可能会导致对空和时间的理解的下一次革命。”
2.纠缠和时间空
时间空是由比特或其他东西“组成”的假设与广义相对论的预测相反。新的观点认为时间空不是基本的，而是通过量子位的相互作用“显现”。科学家不知道这些比特是由什么组成的，也不知道它们包含什么信息。然而，有趣的是，这些问题并没有困扰科学家。“重要的是比特之间的关系”，而不是比特本身。斯坦福大学博士后研究员、IfQ项目团队成员布莱恩·斯旺格尔说:“这些集体关系是宇宙丰富的物理特征的来源。这里的关键不是它们的组成单元，而是这些单元的组合方式。”
这种结合的关键可能是一种叫做量子纠缠的奇怪现象，这是一种粒子之间难以置信的联系。即使两个纠缠的粒子相距很远，对一个粒子进行操作也会影响第二个粒子。IfQ的首席研究员，宾夕法尼亚大学的物理学家维贾伊·巴拉苏·婆罗门年说:“最近，一个极具吸引力的方案被提出:时间空的结构是由一个更基本的‘时间空原子’的量子纠缠编织而成的。如果这是真的，那真是太神奇了。”
这个想法背后的推理来自物理学家以前的一些发现。伊利诺伊大学香槟分校的博尼·辛桑和京都大学的高六匡在2006年联合发表的一篇论文表明，时间空的几何结构与纠缠有关。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李奥纳特·苏士侃发现，如果两个黑洞纠缠在一起，它们会产生虫洞，这是广义相对论预言的时间的捷径空。这一发现(物理学家根据提出虫洞和纠缠的科学家的名字将二者的关系昵称为“ER=EPR”)和其他相关工作令人惊讶地表明，之前被认为不涉及物理联系的纠缠实际上可以产生时间空结构。
为了理解纠缠是如何发生的，物理学家必须首先更清楚地理解纠缠是如何工作的。自从爱因斯坦和他的合作者在1935年预言了量子纠缠，正如爱因斯坦自己所描述的那样，这种现象一直看起来是“幽灵般的”和神秘的，因为两个相距很远的粒子可以瞬间接触，这似乎打破了一个铁的定律——没有什么能超过光速。最近，科学家们一直在研究几种不同类型的纠缠。传统的纠缠涉及到分散在空之间的同一种类的多个粒子之间的单个属性的关联(例如一个粒子的自旋)。然而，“传统的纠葛是不够的，”巴拉苏·婆罗门说，“我已经意识到还有其他形式的纠葛，而那些纠葛与这个空的重建项目密切相关”例如，不同种类的粒子可以在同一个位置纠缠，也就是说，不涉及空的纠缠。科学家们也在努力克服更多粒子纠缠所导致的令人眼花缭乱的复杂性。
科学家们希望，一旦他们对纠缠机制有了清晰的理解，他们将能够理解空是如何出现的，就像空气体中原子的微观运动产生复杂的热力学和天气模型一样。恩格尔哈特说，这些都是“新兴”现象。“当你缩小镜头，从宏观角度看某样东西时，你会看到与以前不同的图像。你甚至不知道这个图像来自一个小尺度的物理机制。这是IfQ最吸引人的地方之一，因为我们仍然不知道空出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可以从量子角度描述重力的理论。然而，追求量子引力的物理学家在过去的一个世纪里一直受阻。爱因斯坦本人在去世前就一直坚持不懈地寻找这样一个理论，但直到去世他才成功。IfQ的科学家希望用一种叫做全息原理的理论来帮助他们。
这个原理意味着一些物理理论可以等同于低维宇宙中更简单的理论。就像二维明信片上的独角兽全息图一样，它可以存储描述独角兽三维形状的所有必要信息。因为很难找到一个可行的量子引力理论，但是根据全息原理，科学家可以尝试找到一个等效的理论，它在一个比我们的维度更低的宇宙中很容易操作。
全息原理最成功的例子之一是称为AdS/CFT对偶的理论(反德西特/共形场理论对偶，反德西特/共形场理论对应的缩写)。这个理论表明，我们可以通过描述黑洞的表面行为来完全描述黑洞本身。换句话说，内部(三维“身体”)物理定律与外部(二维“边界”)物理定律完全一致。
AdS/CFT可能使物理学家能够找到一个等同于量子引力的理论，并完成相同的目标，以一种更简单的方式描述相同的物理定律，而完全不考虑引力。巴拉苏·婆罗门年说:“引力理论很难用量子化来描述，但是不包括引力的理论很容易做到。”然而，有人可能会问，一个不包括重力的理论怎么会变成所谓的量子重力理论呢？也许我们对重力和时间空的看法只是看待纠缠最终产物的另一种方式。换句话说，在某种程度上，纠缠将三维物体中的信息编码成比特，并存储在二维边界上。
在过去的20年里，科学家们发现AdS/CFT二元性是有效的——二维理论确实可以描述三维情况，这种机制被称为二元性——但是他们还没有完全理解为什么会这样。Swingle说:“(IfQ)有一个令人满意的结果，这是一个可以解释二元机制的理论。我认为，通过这种合作，我们一定能够实现这一目标，或者至少(我们能够)在这方面取得重大进展。”
量子信息论可能是有帮助的，因为在这个领域中一个叫做量子纠错码的概念也可以在AdS/CFT对偶中发挥作用。因为比特之间的纠缠会被扰乱，研究量子计算的科学家设计了这些纠错码来防止信息丢失。量子计算机不会用一个比特来编码信息，它们使用多比特的高度纠缠态。这样，一个比特错误不会影响一条信息的准确性。但是奇怪的是，量子纠错的数学规则也出现在AdS/CFT对偶中。科学家们设计了一种通过将多个比特缠绕在一起的纠错网络方法。它似乎也可以用来通过纠缠将黑洞内部的信息编码到黑洞的边界上。希伯莱大学的量子计算科学家、IfQ的首席研究员多莉塔·阿哈洛诺夫说:“你能在黑洞里找到量子纠错码，这非常有趣。”
尽管物理学家已经成功地理解了AdS/CFT的工作原理，并因此设计了一个可以取代量子引力理论的低维理论，但他们仍然没有成功。这种对应关系本身只对宇宙的“玩具模型”有效，而这个模型是对我们生活的真实宇宙的简化。特别是，适用于我们真实宇宙的各种引力定律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。虽然在AdS/CFT中有某种形式的引力，但它不是一个能正确描述膨胀宇宙的引力理论，”斯旺格说。“它把宇宙描述成一个瓶子——如果你发射一束光，它会击中空之间的墙壁，然后反射回来，这在我们生活的膨胀的宇宙中是不可能的。”这个模型为物理学家检验他们的想法提供了一个有用的理论领域。在简单的图像中，克服量子引力将变得相对简单。
一些怀疑论者说，如果IfQ基于不真实，它能得到什么有意义的结果？“这无疑是一个非常有力的批评，”恩格尔哈特说。“我们为什么关注这个玩具模型？一方面，这是因为玩具模型本身是正确的，另一方面，我们相信玩具模型实际上可以代表我们的宇宙。我非常确信，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研究人员认为，从一个相对容易的简单图像开始，加上必要的复杂因素，上述理论最终可以应用到现实世界中。
4.另一场革命
尽管存在疑问，项目团队中的科学家和那些与项目无关的人认为IfQ值得一试。它开辟了新的研究领域。加州大学伯克利分校的物理学家拉斐尔·布索说:“我一直觉得量子信息和量子引力之间的联系极其重要。”。布索不是IfQ项目团队的成员，但他与项目团队的一些成员有合作。“这种联系近年来加深了。我很高兴看到这么多杰出的物理学家一起面对这些问题。我们将拭目以待，最终我们将走向何方。”斯坦福大学理论物理学家伊娃·西尔弗斯坦(Eva silverstein)也不是IfQ项目小组的成员，她同意这一观点:“显然，开发和应用量子信息来研究这些问题是值得的，但为了理解动力学(量子引力)，我们仍然需要做很多工作，重要的是我们不能过于狭隘地关注一种方法。”
此外，即使这个项目不能给我们一个量子引力理论，它仍然可能产生有价值的研究分支。例如，将弦理论和广义相对论的技术和思想应用于量子信息问题，将有助于我们更好地定义不同类型的纠缠，从而帮助我们理解何时空并构建量子计算机。“当你把这些工具应用到新的环境中时，你很可能会得到在其他领域有用的有趣想法，”阿哈洛诺夫说。“目前，研究人员似乎正在一些已经搁置多年的问题上取得进展，这非常令人兴奋。”例如，科学家发现，如果虫洞被视为一个量子回路，就有可能测量虫洞中的时间。
此外，量子信息科学和弦理论的结合不仅有助于我们建立量子引力理论，也有助于我们判断物理学家发现的任何理论。任何物理理论都可以看作是一台计算机，它的输入和输出相当于理论中可测量的初始和最终状态。有些电脑比其他电脑更强大。一旦研究人员得出量子引力理论，他们可以问，这个理论的计算能力是什么？“如果这个理论太强大了，无法计算出在我们的世界里什么是不可能的，那么我们至少会给这个理论打上一个问号，”阿哈洛诺夫说。"这实际上是从不同角度判断这一理论是否合理的一种方法."
这个项目让一些物理学家想起了一些重要理论刚刚开始的激动人心的年代。“我从1984年开始作为一名研究生学习，这与所谓的第一次弦理论革命是一致的，”加州理工学院物理学家栗原说。“那是一个激动人心的时代，弦理论逐渐成为大统一理论最有力的候选。我可以看到，围绕这个项目爆发的热情和当时一样。对于这个领域的年轻人，以及我们这些几十年前获得博士学位的人来说，这无疑是一个激动人心的时代。”
(作者是《科学美国人》的高级编辑，负责泰空和物理学。她获得了卫斯理大学的天文学和物理学学士学位，以及加州大学圣克鲁斯分校的科学新闻硕士学位。郭敏勇，北京师范大学物理系引力与相对论博士研究生(全球科学杂志供稿)
