by Sabine Hossenfelder
自然界的无底洞或为超高效率的量子计算机？这可解释为什么数据永不消亡。
人死后，身体的原子烟消云散，找到新的归宿，融入海洋、树木和其他形体。但根据量子力学定律，关于你身体形态和机能的所有信息仍然存在。原子之间的关联，那些使你成为你的无数细节，仍会永远存留下来，尽管是通过难以辨认的杂乱形式——实际上消失了，原则上却得以永生。
对这一给人慰藉的概念，只有一种明显的例外：根据我们目前对物理的理解，信息遭遇黑洞时无法幸存。四十年前，史蒂芬·威廉·霍金宣称黑洞会永久毁损信息。无论什么东西掉入黑洞后都会从宇宙的其余部分消失，最后以粒子风的形式重现——也就是“霍金辐射”——从事件视界（译注）也就是黑洞的外部物理边界泄露出来。这样，黑洞慢慢蒸发，但其进程会擦除所有关于黑洞形成的认知。辐射仅携带坍缩物质的总质量、电荷和角运量；关于掉入黑洞的任何事物的其它细节都会不可挽回地丢失。
霍金关于黑洞蒸发的发现给理论物理学家带来了巨大的难题：广义相对论认为，黑洞必须毁损信息；量子力学认为这不可能发生，因为信息永续存在。广义相对论和量子力学都是久经考验的理论，然而二者并不相容。这一冲突揭示了黑洞某种远比天方夜谭更站得住脚的东西：这个信息悖论使某个事实更加明晰：那就是科学家们仍不了解基本的自然律。
但是，慕尼黑大学的物理学教授吉亚·德瓦利（Gia Dvali）相信他已找到了解决方案。他说：“黑洞就是量子计算机。我们有明确的信息处理序列。” 如果他是正确的，难题将不复存在，信息的确可以不朽。更令人吃惊的是，他的概念具有应用意义。将来，我们或许能够利用黑洞物理学制造我们自己的量子计算机。
我们之所以认为从黑洞恢复信息看起来是不可能的，是因为黑洞几乎是无特征的球状体，其视界（地平线）本质上不具备物理属性；就像美国物理学家约翰·惠勒描绘的那样，黑洞是“没毛”的。如标准论据所认为，如某件物体没有东西可用来编码，你就不能用它来储存信息。德瓦里认为，谬误就在这里：“所有那些无毛理论都是错的。”他和合作者主张,引力——迄今未被发现的携带引力并形成时空的量子——延伸贯穿黑洞，产生“量子毛”，既能释放也能储存信息。
这项新研究建立在量子论的非直观特性之上：量子效应并不一定小到必须借助显微镜才能观测到。的确，那些效应是脆弱的，在诸如地球上发现的那种典型的温暖、繁杂环境里很快会被毁灭。这也是制造量子计算机的主要挑战所在，因为量子计算机处理信息用的是粒子的量子态，而不是传统晶体管的开关逻辑。但是，在一个寒冷、隔绝的地方，量子运行状况可以长距离持续——长到足以跨越从数十到数亿公里的黑洞视界。
要见证远程量子效应，你甚至不需要去太空。形成黑洞所必须的广袤距离和巨大质量远远超出了我们的实验能力。但是，通过把原子冷却到不足万分之一开氏度（相当于比绝对零度高万分之一度），科研人员已压缩多达十亿个原子，让其分布在几毫米内，进入单量子态。这对集合量子行为来说已经很庞大了。
假如黑洞实质上是浓缩引力的漩涡，则霍金的信息难题将会自然消解。
有一种原子集合被称为玻色·爱因斯坦凝聚，这是以印度物理学家萨特延德拉·玻色和阿尔伯特·爱因斯坦来命名的——是目前制造能运行的量子计算机最有前景的工具之一。在玻色·爱因斯坦凝聚内部的量子效应，比如说同一时间位于两个不同位置的能力，使其能够贯穿整个凝聚，从而引发许多连锁状态。如果研究者成功地使凝聚态处于稳定，并控制这些状态，将会获得巨大的信息处理能力。而且，无独有偶，玻色·爱因斯坦凝聚也可能解决数十年来黑洞信息损失的难题。
德瓦里解释说，假如黑洞由经过玻色·爱因斯坦凝聚（实质上就是浓缩引力漩涡）的引力子组成，霍金的信息难题将会迎刃而解。这个理念听起来可能很疯狂，但对德瓦里来说却是合情合理的，因为这是根据霍金最先提出他的谜题后物理学家多年来了解到的黑洞信息知识得出的推论。理论家知道如何计算黑洞必须达到的信息储存量：这可以通过黑洞的熵及视界面积的比例予以量化。他们也发现，黑洞会非常快速地重新分配或弄乱信息。最后，他们还知道信息从黑洞逃逸所需的速度，这就能避免与量子力学的冲突。
自2012年起，德瓦里探求到这各种特性，惊奇地发现某些类型的玻色·爱因斯坦凝聚与黑洞具备同样的基本特征。为了像黑洞那样行动，凝聚物必须徘徊于转变点——即它的量子临界点——在那里，延伸的波动正好在其量子行为崩塌前穿越流体。德瓦里算出，这样一个量子临界凝聚物具有与黑洞相同的熵、不规则容量和释放时间：它具备适当的量子毛。他说：“有人会说这只是巧合，但我认为这是极有力的证据——无庸置疑的证据——表明黑洞真的就是玻色·爱因斯坦凝聚。”
把黑洞和一种实验室里可以创造出来的物质形式连接在一起，这意味着德瓦里理念中的某些方面可以用实验的方法予以探究。慕尼黑的马克斯·普朗克科学促进协会教授以马内利·布洛赫具备玻色·爱因斯坦凝聚的第一手经验。他在通过交叉重频激光束形成的光学晶格“光之水晶”里压缩原子，然后用一种被称为荧光成像的技术对凝聚物拍摄快照，得到的图像漂亮地显示出原子相关的量子习性。
布洛赫发现，和自己的理念相比，德瓦里的理念源于完全不同的领域，这一点很有趣。他说：“吉亚的提案让我相当兴奋。我认为那是某种全新的东西。人们已看到了交互作用凝聚物的崩塌动力学，但迄今为止还没有人研究量子临界点，以及在那里发生的情况。”
他接着说：“在BEC(玻色·爱因斯坦凝聚)里存在肉眼可见的量子波，这意味着在量子数当中有很多波动。这就使BEC通常看上去就像瑞士（蜂窝）奶酪。”通过应用到磁场，布洛赫可以改变原子间相互作用的力量，从而诱使它们进入一个更有序的晶格。“现在你使原子之间产生强烈的相互作用，然后你就来到（非常有序的）‘莫特状态’。这对量子计算是极好的状态，因为你取得了这样的常规数组。此外，你还能用激光处理原子，使它做圆周运动，并改变它们的旋转（来编码和处理信息）。”
据照德瓦里理论，通过运用不同的量子状态，黑洞物理学家揭示了在玻色·爱因斯坦凝聚中储存信息的更好的办法。黑洞是科学家知道的最简单、最紧密、最有效的信息储存设备。运用黑洞的编码协定，应该会找到凝聚式量子计算机里储存信息可能的最佳方法。
在布洛赫看来，在实验室创造仿黑洞凝聚物似乎是可行的：“（在黑洞中，）相互作用力会自我校正。我们可以通过调整相互作用力，模拟出某种刚好接近崩塌的凝聚物。离量子临界点越近，波动会变得越来越大，越来越大。这就能仿制这样一个系统。人可以研究所有的量子波动和非平衡状态，就地观察这些凝聚物——目前通过高空间分辨率，这都是可以做到的。
但是，仅仅意识到德瓦里的理念是可能的，并不一定意味着它是实用的。布洛赫说：“他的理念正在和市场上的许多其它观念一较高下。就目前而言，我对这一理念的质疑多于相信。”他还指出，有效的信息储存固然很好，但目前对量子计算机来说，信息容量不成其为问题。他认为，最大的挑战是找到一种单个地操控德瓦里所说的量子状态的方法——即数据处理，而不是数据储存。此外还有一些实际的障碍。“还有那么多我们不了解的东西，比如噪音，它能克服噪音吗？我们不知道。”布洛赫说，“对我来说，与引力学的连接方面要有趣得多。”这方面的应用已远远超出信息储存的范畴。
德瓦里并不是近来唯一提出引力学和凝聚物理学关系的研究者，这一走向已开启了试验研究的全新领域。在爱因斯坦的传统中，物理学通常把弯曲时空看作是物质及其相互作用的舞台。但现在几支独立研究团队提出，弯曲时空可能并不像我们过去认为的那样虚无飘渺，它似乎也可以通过非引力物理学得以呈现。
过去几十年里，大量引力和某种流体之间的联系已证明，具有集合量子性状的系统可以模拟弯曲时空，得出的方程式与爱因斯坦广义相对论中得出的基本一致。目前还没有任何方法可以假定那个时空就是凝聚物，从而推断出广义相对论的普遍性。现在，根本没有人知道那是不是可能的。尽管如此，这个新发现的关系使物理学家得以研究那些可以通过原子凝聚物模拟的引力系统。
用凝聚物模拟引力使科学家可以探索黑洞视界之类领域，而这些领域是难以用试验进行研究的。因此，尽管霍金辐射尚未在真正的黑洞中被观测到，但通过玻色·爱因斯坦凝聚态模拟的黑洞中的类似物已被测量。当然，那些凝聚物并不是真正的黑洞——它们捕获声波而不是光——但它们服从一些相同的数学定理。在某种意义上，凝聚物通过这样的行为执行了原本复杂甚至难解的物理计算。
布洛赫说：“我们喜欢谈起量子模拟，试图用这些系统来探求传统计算机难以计算的有趣现象。我们还试图用这种系统来测试类似黑洞的其它系统，或者在二维空间观察希格斯粒子的类似物。”2012年布洛赫和同事在《自然》（Nature）期刊发表论文，称他们的量子模拟显示，在二维空间也可能存在类似希格斯粒子的东西。同样的技术原则上也能用来研究那些与黑洞行为相似的玻色·爱因斯坦凝聚物。
然而，运用黑洞物理学开发新的量子计算机协议是一回事，发现天体物理学的黑洞是否引力子凝聚物完全是另一回事。理论宇宙学家、德瓦里慕尼黑的同事史蒂芬-霍夫曼说：“我对一个不能验证的理念没有兴趣。”
霍夫曼已将大量时间用来探究关于黑洞是引力子凝聚物这一理念的观测结果。他同意德瓦里的看法：“黑洞无毛理论简直是，对不起，垃圾。”霍夫曼认为，黑洞视界的附近的量子毛会微妙地改变广义相对论的预言（尤其是黑洞形成或碰撞期间引力波的发射），其方式应该是可探测的。霍夫曼在2015年的一次论坛上说：“我的梦想是某种二进制的黑洞合并。”他的梦想现已成为现实：激光引力波天文台（LIGO）最近宣布已首次探测到一对合并黑洞发射的引力波。
霍夫曼和同事还必须作出定量预测。由于宏观量子效应，德瓦里关于信息损失问题的初步理念或许很快就能实验式验证。不过，黑洞是引力子的量子临界凝聚物，完全等同于玻色·爱因斯坦凝聚的理念还有许多有待解决的问题。首先是，德瓦里的计算不能解释掉入黑洞的物质会怎么样。霍夫曼也承认，既然这一理论不能再在广义相对论的常见框架内来描述，对于如何确定该对象就是传统意义上的黑洞，还不清楚。
马赛大学的卡罗·洛威利认为，即使还未完全成形，德瓦里关于黑洞就是凝聚物的理念在科学上也是有用的。他说：“他们运用一种不甚合理的近似值，这可能无法捕捉相位，但它也许在某种程度上有用，特别是在长波长方面。对（时空的）低频量子波动来说，这并不荒谬。”不过，他也告诫说，凝聚模型“不可能完整地描述黑洞内的情形”。
尽管如此，这项研究揭示了一个之前未认知的、富有成效的关系，这一点是清楚的。德瓦里说：“我们在量子信息和黑洞物理学之间架起一座非常有趣的桥梁，这是以前未曾论及的。”假如他是正确的，其意蕴在概念上是惊人的。信息真正永垂不朽。从这个意义来说，我们都能长生。我们银河系中心的超重黑洞呢？事实上就是一台宇宙量子计算机。(译言网 译者： 落木偶记）
31 March, 2016
译注：
事件视界（event horizon）：从黑洞中发出的光所能到达的最远距离，也就是黑洞最外层的边界。事件视界以外的观察者无法利用任何物理方法获得事件视界以内的任何事件的信息，或者受到事件视界以内事件的影响。因为即使速度快如光也无法出脱事件视界的范围，因此又演绎出“视界”的译词，作为外界观察者可看见范围的界线；从这点，事件视界所包住的时空对外界的观察者而言看起来是黑的，而出现了“黑洞”这名称。