物理学家已经用一台7量子位元量子计算机来模拟黑洞内部的信息乱序，这预示着未来纠缠的量子比特可用来探测这些奇异天体的神秘内部。当物质在黑洞中消失时就会发生混乱，在这个物质上的信息（它所有成分的身份信息，甚至是它最基本的粒子能量和动量）被混乱地与所有其他物质和内部信息混合在一起，似乎使它不可能被检索。这就导致了所谓的“黑洞信息悖论”，因为量子力学认为信息永远不会丢失，即使信息在黑洞中消失了。因此，尽管一些物理学家表示：坠入黑洞视界的信息会永远消失。但另一些物理学家则认为，这些信息是可以重建的。
博科园-科学科普：但前提是要等相当长的时间——直到黑洞蒸发缩小到原来大小的近一半。黑洞蒸发收缩是因为它们发出霍金辐射，霍金辐射是由黑洞边缘的量子力学波动引起，以已故物理学家斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking)的名字命名。不幸的是，一个质量相当于太阳的黑洞大约需要10^67年才能蒸发，这远远超过了宇宙的年龄。然而，在这个黑洞之外有一个环孔——或者更确切地说，一个虫孔。通过测量黑洞与其发出霍金辐射之间微妙的纠缠，或许可以更快地检索到这些不断坠入的信息。
黑洞信息悖论示意图，爱丽丝把一个量子位元扔进黑洞，问鲍勃是否可以只用霍金辐射重建这个量子位元。图片：Norman Yao, UC Berkeley
两比特的信息（比如量子计算机中的量子比特或量子位）当它们紧密相连时就会相互纠缠，以至于其中一个量子态会自动决定另一个的状态，无论它们相距多远。物理学家有时把这种现象称为“鬼魅般的超距作用”，对纠缠的量子位元测量可以导致量子信息从一个量子位元“隐形传输”到另一个量子位元。加州大学伯克利分校(UC Berkeley)物理学助理教授诺曼·姚(Norman Yao)表示：人们可以通过对这些发出的霍金辐射进行大规模量子计算，来恢复掉入黑洞的信息。
这将是非常非常困难的，但如果量子力学是正确的，它应该在理论上是可能的。这正是Norman Yao所研究的，但是对于一个7量子位元量子计算机中的3量子位‘黑洞’来说，通过将纠缠的量子位元扔进黑洞，并查询正在出现的霍金辐射，理论上可以确定黑洞内量子位元的状态，为深入黑洞提供一扇窗户。Norman Yao和他在马里兰大学和加拿大安大略省滑铁卢圆周理论物理研究所的同事们在2019年3月6日出版的《自然》期刊上发表了他们的研究结果。
Norman Yao对理解量子混沌的本质很感兴趣，他从朋友兼同事、周界研究所的理论家吉田本尼(Beni Yoshida)那里了解到，如果信息在黑洞内被迅速打乱，那么恢复落入黑洞的量子信息是可能的。它在整个黑洞中混合得越彻底，就能越可靠地通过瞬间移动来获取信息。基于这一观点，吉田和Norman Yao去年提出了一个实验，可以证明在量子计算机上进行置乱。根据实验，如果测量到足够高的远距传态保真度，那么就可以保证在量子电路中发生了置乱。Monroe是位于College Park的马里兰大学物理学家，他领导着世界领先捕获离子量子信息小组之一，他决定尝试一下。他的团队实现了Yoshida和Yao提出的实验，并有效地测量了一个超时序相关函数。
科学家们已经实施了一项量子置乱测试，即对存储在一组量子粒子中的信息进行混沌变换。量子置乱是一种关于信息如何落入黑洞并以随机辐射形式释放出来的建议。这种观点认为，也许它根本就不是随机的，黑洞只是优秀的扰码器。图片：E. Edwards/Joint Quantum Institute
这些特殊的相关函数被称为OTOCs，是通过比较两种量子态来创建，这两种量子态在应用特定的冲击或扰动时间上有所不同。关键是能够在时间上向前和向后发展量子态，以理解第二次冲击对第一次冲击的影响。Monroe团队在一台7量子位元捕获离子量子计算机的3个量子位元上创建了一个置乱量子电路，并描述了由此产生的OTOC衰变。虽然OTOC的衰变通常被认为是发生了混乱的一个强烈迹象，但要证明，必须证明OTOC的衰变不仅仅是因为退相干——也就是说，它不仅没有很好地屏蔽外部世界的噪声，而外部世界的噪声也会导致量子态分崩离析。
研究人员证明，纠缠或传送信息的准确性越高，就能越严格地限制OTOC中发生的置乱数量。测量了近80%的隐形传态保真度，这意味着可能一半的量子态被打乱，另一半被退相干衰变。然而，这足以证明在这个三量子位元量子电路中确实发生过真正的置乱。该实验一个可能的应用是与量子计算机基准测试有关，在那里人们可以使用这项技术来诊断量子处理器中更复杂形式的噪声和退相干。Norman Yao还与Irfan Siddiqi领导的加州大学伯克利分校一个研究小组合作，演示了在另一种量子系统中的置乱现象，即超导量子qutrits：具有三种而不是两种状态的量子比特。
Siddiqi是加州大学伯克利分校的物理学教授，也是劳伦斯伯克利国家实验室建立先进量子计算试验台的带头人。本质上，这是一个量子位或qutrit实验，但可以将其与宇宙学联系起来的事实，是因为我们相信量子信息的动力学是相同的，美国正在启动一项耗资10亿美元的量子计划，了解量子信息的动力学关系到这个计划中许多研究领域：量子电路和计算、高能物理、黑洞动力学、凝聚态物理以及原子、分子和光学物理。量子信息的语言对于我们理解所有这些不同的系统已经变得无处不在！这项研究得到了美国能源部和国家科学基金会的支持。
博科园-科学科普｜研究/来自: 加州大学伯克利分校
参考期刊文献:《自然》
DOI: 10.1038/s41586-019-0952-6
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