它来自量子比特和量子宇宙的引力

Qubit Collaboration 成员在 2019 年年会上的两个 It。学分：迈克尔·利斯内特

每个人都对重力有着直观的理解：它让我们得以在地球上扎根，让物体在空中坠落，并确保我们的太阳每天早上都会升起。那么，也许具有讽刺意味的是，如此根植于我们日常经验的事物的确切性质仍然是我们宇宙中最大的谜团之一。

问问物理学家，他们会解释说引力是物质的固有属性，它会扭曲空间和时间的结构。这种对引力的理解，即广义相对论，提供了我们对行星和星系动力学的最佳描述。但是广义相对论在光谱的微观末端失败了，在亚原子粒子领域，其行为反而遵循量子力学的奇怪定律。这个说物体可以同时存在于多种状态的理论，从根本上与广义相对论的数学相冲突。解决这两种对我们宇宙的描述之间的冲突一直是一项艰巨的任务。

这是 2015 年成立的量子场、引力和信息的西蒙斯合作组织 Qubit的雄心勃勃的目标。这是一个不太可能的宇宙学家、粒子物理学家和信息科学家结合他们的专业知识来开发引力的量子力学描述 – 和解决长期问题的新方法。 “合作的目的是让那些正在考虑量子计算机的人发明新的想法和技术，”Qubit 主任帕特里克·海登说，“理解空间和时间的起源的任务。”

在大多数情况下，广义相对论和量子力学永远不会接触；引力涉及质量很大的物体，这些物体通常很大——比如行星——而量子效应只在微小的尺度上占主导地位，当物体非常轻时。但是有一些奇异的现象同时涉及到这两者，比如黑洞和宇宙大爆炸，这个事件让我们的宇宙诞生了。当物理学家试图建立一个统一的量子引力理论时，来自麻省理工学院的 Qubit 合作者 Daniel Harlow 说，“我们得到的方程似乎没有多大意义。”

斯坦福大学的量子信息理论家海登承认，这种联系并不明显。 “其中一个主要发生在量子光学实验室，”他说。 “另一个是关于物理学最深奥的分支，询问关于宇宙的最基本问题。”然而，正如 Qubit 的往绩记录显示的那样，量子信息技术的应用非常有用。

 

新出现的时空观念

德克萨斯大学奥斯汀分校 Qubit 研究员 Jason Pollack 说，这些技术中最有用的一项是纠错码。纠错码于 1947 年首次开发，是一种算法，用于管理通过不可靠的通信渠道存储或发送的数据的损坏。

例如，考虑位翻转——计算机中发生的常见错误。 “想象一下你有一些二进制字符串，”波拉克说，指的是 0 和 1 的序列，它们是经典计算机用来编码信息的单位或位。与环境的不可控制的相互作用，例如宇宙射线撞击计算机芯片，可能导致其中一些位从 0 翻转到 1，反之亦然。 “如果是图像，也许这不是问题。这只会在某处改变一个像素，”波拉克说。 “但如果你想保留一些你将要运行的程序，那可能是一场彻底的灾难。”

位翻转：单个量子位 ψ 的量子纠错，其中通道 Ebit 中最多可能发生一个位翻转错误。学分： 维基共享资源

经典的纠错码提供了一个简单的解决方案：只需复制消息即可。 “将 0 存储为三个 0，将 1 存储为三个 1，”波拉克说。这样，如果确实发生了位翻转，则可以通过分析冗余副本并获得多数票来恢复原始信息。在量子计算机的纠错码中使用了一种类似的冗余，它存储跨量子比特或量子比特的信息，这些信息可以以 0 或 1 的形式存在，或者——根据量子力学的规则——在测量时处于一种状态, 可以产生任何一个值。

2014 年，Harlow 和他的同事发现了这些算法与时空本质之间的深刻联系。 “我们意识到，通过使用量子纠错数学，你可以了解时空是如何出现的，”他说。对于理论物理学家来说，涌现是空间和时间不是基本实体的想法。相反，它们是从更基础的事物中产生的属性。

“这种想法，即某些属性可能会出现，在物理学的许多其他领域很常见，”来自高级研究所 Qubit 合作者的胡安·马尔达塞纳 (Juan Maldacena) 说。例如，将一堆分子困在一个盒子里，它们可以形成气体或液体——这不是分子本身的基本特征，而是它们相互作用的结果。

Maldacena 解释说，许多理论家将空间比作圆柱体内的体积：二维表面内的三维体积，其中包含创造宇宙所需的所有信息，与我们自己的宇宙内部没有什么不同。生活在表面的粒子服从量子力学，它们之间的相互作用以某种方式构建了一个受我们每天经历的万有引力定律支配的内部世界。

“因此，尽管我们认为我们生活在三个空间维度和一个时间维度中，但实际上并非如此，”哈洛说。 “但这听起来很疯狂，对吧？你怎么能在数学上拥有一个维数较少但假装维数较多的理论呢？”

来自 Qubit 的 It 的主要目标是找出答案，并且合作认为量子纠错的数学对于这样做是必不可少的。 “来自 Qubit 的 It 的很大一部分一直在更多地了解它是如何工作的，”Harlow 说。 “这段代码的属性是什么？有什么限制？如果你用力过猛，什么样的事情会崩溃？”

在 2017 年年会上，它来自 Qubit 校友 Ying Zhao（左）和 Collaboration 的首席研究员 Leonard Susskind。学分：迈克尔·利斯内特

大部分进展来自 Qubit 由 It 主办的研讨会上的思想交流。根据海登的说法，他们在 2016 年的第一个重大事件只是专注于让每个人都在同一个房间里。 “我们都互相教，因为我们不知道如何说彼此的语言，”他说，因为成员来自不同的学科，彼此之间缺乏交流。这些会议也向非合作者的研究人员开放。 “我们总是最终得到其他在这个领域工作的人的参与，”海登说。 “合作对于建立势头非常重要。”

加州理工学院的理论物理学家 Monica Jinwoo Kang 虽然不是 Qubit 的正式成员，但她参加了合作会议，讨论新想法并分享她自己的研究。 “这很有趣，”她说，她期待着未来的聚会。 “它为我们提供了生动的新工具，创造了真正的成果。”

康探索了体重力理论与其边界上相应的量子理论之间的关系。 “重力就像一个全息图，”她说，因为虽然这些物体是二维的，但它们似乎存储了三维信息。如果时空是涌现的，那么这两种理论之间应该存在相互作用：表面上发生了一些事情，它在内部产生了可预测的效果。该领域的研究人员仍在试图完全理解这种联系，但他们已经意识到边界粒子可以通过多种方式相互作用，从而在本体中重现相同的物理特性。

“这种信息的冗余重建正是你想要的纠错码中的那种特征，”波拉克说，他认为引力是宇宙更深层理论的粗略近似，我们几乎不可能观察到它。测量。波拉克目前研究量子理论中的哪些特征对于创造看起来像重力的东西是必要的。 “我发现最引人注目的是思考为什么我们周围的世界首先看起来很经典，”他说。 “什么创造了现实？”量子信息算法对这项工作很重要，他接受了来自 Qubit 的 It 的核心交叉合作——他甚至在他最近的出版物中加入了一个部分，供信息科学家快速了解引力语言物理。

 

黑洞的深度

事实证明，量子纠错的数学对于揭示理论物理学中另一个长期存在的难题至关重要。 “也许合作的最大成果是详细计算了信息从黑洞中流出的方式，”海登说。

黑洞通常是由恒星的爆炸性死亡产生的，当足够大的质量被挤进一个足够小的区域时，黑洞就会产生，产生如此之大的引力，根据广义相对论，任何东西都无法逃脱。

然而，在 1970 年代，著名的宇宙学家斯蒂芬霍金宣布，热能可以摆脱黑洞的束缚。这种能量，今天被称为霍金辐射，会在很长一段时间内散发出来，导致黑洞慢慢蒸发并最终完全消失。霍金计算了辐射的熵（一个衡量随机性的量）并确定它很高。这意味着这种辐射的状态是完全随机的，完全不受过去进入黑洞的任何东西的影响。

那么，黑洞可能是摆脱某些东西的理想场所：将其扔进内部，其中包含的信息将永远无法恢复，这对量子引力研究人员来说是一个令人震惊的结果。 “如果这是真的，”来自 Qubit 的合作者、加州大学伯克利分校的物理学家 Geoff Penington 说，“它将颠覆我们所知的物理学基本原理。”

所讨论的原则是物理学的核心：系统在某个时间点的状态应该会影响它在未来的样子。 “你发送一些东西的事实应该会改变一些东西，”马尔达塞纳说。但从霍金的结果来看，“看起来黑洞好像回到了初始状态。”这种被称为黑洞信息悖论的矛盾，在当时的物理学界掀起了一股冲击波。量子力学错了吗？

2019 年取得了突破，这要归功于 Penington 作为研究生发表的一篇具有里程碑意义的论文。 “来自 Qubit 的 It 人员开发了所有这些工具，我只需要考虑在正确的环境中应用它们，”他说。 Penington 用他的许多合作者开发和扩展的更现代的熵公式重做了霍金的著名计算。他发现熵很小；霍金辐射根本不是随机的。

但他并没有就此止步。仅仅因为这种辐射以一种独特的状态存在并不意味着它会受到黑洞过去信息的影响。 Penington 还需要证明，通过测量霍金辐射，理论上有人可以逆向检索原始信息。 “这就是量子计算的用武之地，”他说，因为信息恢复是纠错码的目的。 “事实证明，你可以将这些标准技术应用于黑洞案例，”Penington 说。 “你瞧，你看到信息就在那里。你可以拿回来的。”

出射辐射的熵行为示意图。线条的精确形状取决于黑洞和被辐射的物质场的细节。图片来源：Ahmed Almheiri、Thomas Hartman、Juan Maldacena、Edgar Shaghoulian 和 Amirhossein Tajdini Rev. Mod。物理。 93, 035002

所以霍金错了，量子力学是安全的。 “霍金犯的错误是他将时空视为计算的基础，”哈洛说。 “而实际上，时空应该是涌现出来的。”时空行为就像一个纠错码的发现，以及 Qubit 合作者 It 对这一想法的发展，为 Penington 更新近半个世纪以来错误执行的计算铺平了道路。

随着关键进展的取得，来自量子比特的它对黑洞的本质仍有更多的发现。虽然 Penington 证明了计算是可以完成的，但恢复原始信息所需的实际步骤仍然遥不可及。 “我们不知道该怎么做，”他说。 “这在数学上甚至不是太难。就是我们连规则都不知道。”尽管如此，这对于量子比特和更广泛的理论物理学界来说是一次开创性的胜利。 “大多数事情都太难解决了，”Penington 说。 “但偶尔，你有足够的脚手架，其他人已经搭好了，你可以在里面放一块。而且这一切都非常合适。”

跨越学术边界

Penington 并不是唯一一个阐明黑洞信息悖论的物理学家。在他的结果发布在 arXiv 预印本服务器上的同一天，该领域的四位研究人员上传了相似但独立的计算结果，得出了相同的结论。两位合著者 Donald Marolf 和 Henry Maxfield 来自 Qubit 成员或校友；其他人 Netta Engelhardt 和 Ahmed Almheiri 是此次合作的密友。高级研究所的量子场理论家 Almheiri 也在 2014 年与 Harlow 合作研究了量子纠错与涌现时空之间的联系。

Almheiri 记得在量子引力研讨会上遇到了 Penington。 “那时我们意识到我们正在做同样的事情，”Almheiri 说，从那时起，我们就开始了对终点线的竞赛。 “这是一场友谊赛！”两个团队就悖论得出了相同的结论，这使得他们的结果更有可能是有效的。

这也证明了合作如何将社区联系在一起。 “该领域的大多数领导者都与 Qubit 的它有一些联系，”Almheiri 说。它为那些思考量子引力的人提供了一个中心枢纽，并为学生和博士后研究人员提供了充足的支持。这很重要，Almheiri 说：“真正推动进步的是年轻一代。”

在世界各地（包括日本、阿根廷和加拿大）举行的会议中，来自 Qubit 的 It from Qubit 引发了跨越国界和学术边界的讨论。鼓励其博士后研究员花时间在其他研究机构进一步合作。此次合作也具有教学重点：它赞助了许多学校，为崭露头角的学者配备所需的工具，为正在进行的研究问题带来新的见解。

合作者们都在讨论该领域下一步的发展方向。 Penington 和 Maldacena 都对来自量子计算机的潜在输入持乐观态度，这将能够计算更复杂的问题，因为只有最基本的计算才能使用笔和纸来解决。这个实验方向将有助于指导社区的理论工作。

无论未来如何，Qubit 的 It 的成功是显而易见的：通过注入来自信息科学的想法来解决量子引力问题是一种边缘观点，现在已被推向主流。 “在这一点上，几乎所有在该领域工作的人都会同意这是思考这些问题的正确方法，”海登说。

它来自 Qubit 将再运行一年，它的结局将是苦乐参半。但它的影响将比合作本身更持久——这个领域留下了新的工具、新的联系和新的发现机会。 “这个社区比来自 Qubit 的它更大，”海登说，并补充说，这项努力为研究提供了机构合法性，否则这些研究可能会落空。 “所以科学将继续下去。”