2016年7月，斯坦福大學(xué)的物理學(xué)家帕特里克·海登（Patrick Hayden）在圓周理論物理研究所舉辦的“It from Qubit”會議中做講座。

　　量子計算機

　　【環(huán)球科技】

　　莎士比亞曾寫下這樣一句話：“整個世界是一個舞臺。”物理學(xué)家也傾向于以這種方式思考，他們的舞臺就是空間本身。在他們看來，對于空間中容納的各種力和場的相互作用，空間有時僅僅只是一塊背景?？臻g本身，按照傳統(tǒng)的觀點來看，并不是由其他什么東西構(gòu)成的。

　　然而，一些科學(xué)家開始質(zhì)疑這一傳統(tǒng)觀點?？臻g——或者說廣義相對論里的時空——實際上可能是由小塊的信息組成的。根據(jù)這個想法，這些小塊的信息通過彼此間的相互作用，創(chuàng)造出了時空并賦予其各種特性，比如引起引力效應(yīng)。這個觀點如果正確，就不僅能解釋時空的起源，還可能幫助物理學(xué)家建立起他們追尋多年的量子引力理論。

　　科學(xué)家希望通過量子計算和理論物理的結(jié)合，來研究時空是否是由微小的信息比特通過量子糾纏構(gòu)建起來的。兩大物理學(xué)理論是否能統(tǒng)一在一起至關(guān)重要，因為目前他們是不相容的。

　　1.破解宇宙代碼的暢想

　　空間是由小塊信息組成的這種可能性吸引了數(shù)百位物理學(xué)家，他們在“it from Qubit”項目的資助下每三個月左右碰面一次，進行討論。項目名中的“it”指的是時空，“qubit”（量子比特，來自quantum bit）代表量子尺度下的最小可能信息量，類似于計算機中的bit（比特）。“it from Qubit”背后的設(shè)想是，宇宙由某種底層代碼構(gòu)筑而成，通過破解這些代碼，物理學(xué)家最終可以找到一個方法，去理解宇宙中那些大尺度事件的量子本質(zhì)。

　　最近的一次“it from Qubit”（IfQ）會議于2016年7月在加拿大安大略省的圓周理論物理研究所舉行。主辦方原本預(yù)計約有90人注冊，但是因為收到了太多的申請，結(jié)果最終不得不接收了200人，并在別的大學(xué)同時舉辦6個遠程衛(wèi)星會議。“我認為，就算由信息構(gòu)成時空不是最有希望解決量子引力問題的途徑，至少也是其中之一。”普林斯頓大學(xué)的博士后研究員內(nèi)特·恩格爾哈特說。恩格爾哈特雖然不是“it from Qubit”項目的正式成員，但還是參加了其中不少會議，他說：“這方面的研究剛剛起步。”

　　因為這個項目既涉及量子計算，又涉及時空與廣義相對論的研究內(nèi)容，所以它把兩組以前沒有什么交集的研究人員整合在了一起，其中一組是量子信息科學(xué)家，另一組是高能物理與弦理論領(lǐng)域的科學(xué)家。大約一年前，支持科學(xué)和數(shù)學(xué)研究的私人機構(gòu)“西蒙斯基金會”撥款成立了“it from Qubit”合作項目，并資助物理學(xué)家在這個領(lǐng)域做研究以及開會討論。自那以后，物理學(xué)家對這一課題的熱情日益高漲，接連的會議吸引了越來越多的研究者，其中一些是西蒙斯基金會資助的這個合作項目的正式成員，還有許多人則單純是對這個課題感興趣。IfQ項目組的成員、圓周理論物理研究所的博士后研究員吉田紅說：“這個項目正在解決一個非常重要但同時又非常困難的問題。合作是必要的，因為這看起來不像是一個人就能解決的問題。”

　　這個計劃甚至引起了項目外的科學(xué)家的注意。沒有參與IfQ項目的哥倫比亞大學(xué)弦理論專家布萊恩·格林說：“如果理論物理與量子信息理論的結(jié)合真如人們預(yù)期的那樣成功，那么這種結(jié)合將極有可能在空間和時間的理解上帶來下一次革命。”

　　2.糾纏與時空

　　時空由比特或者什么別的東西“組成”的設(shè)想是與廣義相對論的預(yù)言背道而馳的。新的觀點認為，時空并不是基本的，而是通過量子比特的相互作用“涌現(xiàn)”出來的。這些比特到底是由什么構(gòu)成的，它們又包含著哪些信息，科學(xué)家也不知道。然而，有趣的是，這些問題并未給科學(xué)家?guī)砝_。“重要的是比特之間的關(guān)系”而不是比特本身，IfQ項目組成員、斯坦福大學(xué)的博士后布萊恩·斯溫格爾說：“這些集體關(guān)系是宇宙豐富物理特性的源泉。這里的關(guān)鍵不是它們的組成單元，而是這些單元組合在一起的方式。”

　　這種組合的關(guān)鍵可能是一種被稱為量子糾纏的奇怪現(xiàn)象，這是粒子之間可能存在的一種不可思議的關(guān)聯(lián)，兩個糾纏的粒子即使相隔很遠，對其中一個粒子進行操作也會對第二個粒子造成影響。IfQ的首席研究員、賓夕法尼亞大學(xué)物理學(xué)家維賈伊·巴拉蘇布拉馬尼亞恩說：“最近有人提出了一個極為誘人的方案：時空的結(jié)構(gòu)是由更基本的某種‘時空原子’通過量子糾纏編織而成的。如果這是真的，那實在是神奇。”

　　這個想法背后的推理過程來自物理學(xué)家先前的一些發(fā)現(xiàn)，比伊利諾伊大學(xué)香檳分校的笠真生和京都大學(xué)的高柳匡在2006年合作發(fā)表的論文表明，時空的幾何結(jié)構(gòu)和糾纏存在著關(guān)聯(lián)。在這項工作的基礎(chǔ)上，2013年，普林斯頓高等研究院的物理學(xué)家胡安·馬爾達西納和斯坦福大學(xué)的物理學(xué)家倫納德·薩斯坎德發(fā)現(xiàn)，如果兩個黑洞糾纏在一起，它們就會產(chǎn)生蟲洞，即廣義相對論所預(yù)言的一種時空中的捷徑。這項發(fā)現(xiàn)（根據(jù)提出蟲洞和糾纏的科學(xué)家的名字，物理學(xué)家給兩者的關(guān)系起了個綽號“ER=EPR”）和其他相關(guān)工作令人驚訝地表明，過去被認為不涉及實體聯(lián)系的糾纏竟然能產(chǎn)生時空結(jié)構(gòu)。

　　要理解糾纏如何產(chǎn)生時空，物理學(xué)家首先必須更清楚地理解糾纏到底是怎樣發(fā)揮作用的。自從1935年愛因斯坦和合作者預(yù)言了量子糾纏以來，就像愛因斯坦自己形容的那樣，這種現(xiàn)象看上去一直“如幽靈般”神秘，因為兩個相距甚遠的粒子竟然可以發(fā)生瞬時聯(lián)系，這看起來似乎破壞了一個鐵律——任何東西都不能超過光速。最近，科學(xué)家一直在研究幾種不同類型的糾纏。常規(guī)的糾纏涉及的是散布在空間中的多個同類粒子間單個屬性（比如粒子的自旋）的關(guān)聯(lián)。但是，“常規(guī)的糾纏是不夠的”，巴拉蘇布拉馬尼亞恩說，“我已經(jīng)認識到存在其他形式的糾纏，那些糾纏與這個重構(gòu)時空的項目息息相關(guān)。”比如，可以讓不同種類的粒子在同一個位置發(fā)生糾纏，即一種不涉及空間的糾纏?？茖W(xué)家也在著手攻克由更多數(shù)目的粒子相互糾纏而帶來的令人眩暈的復(fù)雜性。

　　科學(xué)家期望，一旦認清了糾纏的機制，他們就能夠理解時空是怎么涌現(xiàn)出來的，就像空氣中原子的微觀運動產(chǎn)生熱力學(xué)和天氣的復(fù)雜模式一樣。這些都是“涌現(xiàn)”現(xiàn)象，恩格爾哈特說，“當(dāng)你把鏡頭拉遠，從更宏觀的角度看一個東西時，你會看到與之前不大一樣的圖像，你甚至不知這個圖像來自于更小尺度的物理機制。這是IfQ最迷人的地方之一，因為我們現(xiàn)在還不清楚時空涌現(xiàn)背后的基本量子動力學(xué)。”

　　3.二維理論

　　這項工作的主要目標(biāo)是得到一個理論，能從量子角度來描述引力。但是追求量子引力的物理學(xué)家在過去一個世紀里一直不斷受阻。愛因斯坦自己生前就一直在頑強地尋求這樣的理論，但直到他去世都沒有成功。IfQ的科學(xué)家寄希望于一種名為全息原理的理論來幫助他們。

　　這個原理是指，一些物理理論可以等價于低維宇宙中更簡單的理論。就像一張二維明信片上面的獨角獸全息圖，它可以儲存全部的必要信息，來描繪出獨角獸的三維立體形狀。因為找到一個可行的量子引力理論很難，但是按照全息原理，科學(xué)家可以嘗試在比我們的宇宙維度更低的宇宙中找到一個易于操作的等價理論。

　　全息原理一個最為成功的實例是名為AdS/CFT對偶（反德西特時空/共形場論對偶，anti-de Sitter/conformal field theory correspondence的首字母縮寫）的理論。這個理論表明，我們完全可以通過描述黑洞的表面行為來描述黑洞本身。換言之，內(nèi)部（三維的“體”）的物理規(guī)律完美地對應(yīng)于外部（二維的“邊界”）的物理規(guī)律。

　　AdS/CFT或許能讓物理學(xué)家找到一個與量子引力等價的理論，在完全不考慮引力的情況下，以更簡單的方式完成相同的目標(biāo)，描述相同的物理規(guī)律。巴拉蘇布拉馬尼亞恩說:“引力理論很難用量子化的方法描述，然而不包含引力的理論卻可以很容易做到。”但是，可能有人會問，不包含引力的理論怎么能成為所謂的量子引力理論呢？也許，我們眼中的引力和時空，只是另外一種看待糾纏的最終產(chǎn)物的方式。換句話說，在某種程度上，是糾纏把三維體內(nèi)的信息編碼成了比特，并儲存在二維邊界上。

　　在過去的20年里，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)AdS/CFT對偶是奏效的——二維的理論的確可以描述三維的情形，這種機制被稱為對偶——但是他們還沒有完全理解為什么會這樣。斯溫格爾說:“（IfQ）有個值得期盼的成果，就是一個能夠解釋對偶機制的理論。我想，通過這樣的合作，我們必然可以完成這個目標(biāo)，或者至少（我們可以）在這個方向上取得重大進展。”

　　量子信息理論或許能夠有所幫助，因為該領(lǐng)域中一個叫作量子糾錯碼的概念也能夠在AdS/CFT對偶中發(fā)揮作用。因為比特之間的糾纏會受到干擾，所以研究量子計算的科學(xué)家設(shè)計了這些糾錯碼以防止信息丟失。量子計算機并不是用單個比特編碼信息的，它利用的是多個比特的高度糾纏態(tài)。這樣一來，單個比特的錯誤將不會影響一條信息的準確度。但奇怪的是，量子糾錯的數(shù)學(xué)規(guī)律同樣出現(xiàn)在了AdS/CFT對偶里。科學(xué)家將多個比特糾纏在一起設(shè)計成糾錯網(wǎng)絡(luò)的方法，看起來也能用來把黑洞內(nèi)部的信息通過糾纏編碼到黑洞的邊界上。希伯來大學(xué)的量子計算科學(xué)家，IfQ首席研究員多里特·阿哈羅諾夫說:“你在黑洞內(nèi)部可以找到量子糾錯碼，這是一件非常有趣的事情。”

　　即使物理學(xué)家成功理解了AdS/CFT的工作原理，從而設(shè)計出一個可以替代量子引力理論的低維理論，他們?nèi)匀粵]有獲得成功。這個對應(yīng)本身只對宇宙的“玩具模型”有效，而這一模型是對我們所處真實宇宙的簡化。特別是，適用于我們真實宇宙的各種引力法則，并不適用于上述對應(yīng)原理中的簡化世界。“我們的宇宙一直在膨脹，AdS/CFT中雖然有某種形式的引力，但它不是能正確描述膨脹宇宙的引力理論，”斯溫格爾說，“它描述的是一種像瓶子一樣的宇宙——如果你發(fā)射一道光線，它會打到空間的墻面上再反射回來，這在我們所生活的膨脹宇宙里是不可能發(fā)生的。”這個模型給物理學(xué)家提供了一個有用的理論場地，去測試他們的想法，在簡單的圖像里，攻克量子引力會變得相對簡單一些。

　　一些質(zhì)疑者說，如果IfQ建立在不真實的基礎(chǔ)上，它能得到什么有意義的結(jié)果呢？“這無疑是一個非常有力的批評，”恩格爾哈特說，“為什么我們把注意力放在這個玩具模型上？這一方面是因為玩具模型本身是正確的，另一方面我們認為，玩具模型事實上可以代表我們的宇宙。我很確定的是，如果我們能完全理解玩具模型，我們就能理解真實的宇宙。”IfQ的研究者相信，從一個比較容易著手的簡單圖像開始，通過添加必需的復(fù)雜因素，最終能把上述理論應(yīng)用到真實的世界中。

　　4.又一次革命

　　盡管有質(zhì)疑聲，但不管是這個項目組內(nèi)，還是與項目無關(guān)的科學(xué)家都認為IfQ值得嘗試。它已經(jīng)開辟了新的研究領(lǐng)域。加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的物理學(xué)家拉斐爾·布索說：“我長久以來就覺得量子信息和量子引力之間的聯(lián)系極為重要。”布索雖然不是IfQ項目組成員，但和項目組的一些成員有合作。“這種聯(lián)系在近些年不斷加深，我很高興看到如此多的杰出物理學(xué)家在一起工作，共同面對其中的問題。這最終會帶我們走到哪里，讓我們拭目以待吧。”同樣不是IfQ項目組成員的斯坦福大學(xué)理論物理學(xué)家伊娃·西爾弗斯坦認同這一看法：“很明顯，發(fā)展和運用量子信息來研究這些問題是值得去做的，但為了理解（量子引力的）動力學(xué)，我們需要做的還有很多，很重要的一點是，我們不能過于狹隘地把注意力只放在某一個方法上。”

　　此外，即使這個項目沒能給我們一個量子引力理論，它仍可能產(chǎn)生有價值的研究分支。比如，將弦理論和廣義相對論的技術(shù)和想法運用到用量子信息問題中，將有助于我們以更好的方式定義不同類型的糾纏，從而幫助我們理解時空以及構(gòu)造量子計算機。“當(dāng)你把這些工具運用到新的環(huán)境中，很可能會得到在其他領(lǐng)域很有用的有趣想法，”阿哈羅諾夫說，“目前看來，研究者正在一些已經(jīng)滯留多年的問題上取得進展，這是非常令人興奮的。”比如，科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，如果把蟲洞看作量子電路，就有可能在蟲洞里測量時間。

　　更進一步說，把量子信息科學(xué)和弦理論結(jié)合起來，或許不僅有助于我們建立量子引力理論，還能幫助我們評判物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)的任何一種理論。任何一個物理理論都可以看成一臺計算機，它的輸入和輸出就相當(dāng)于理論中可測的初態(tài)和末態(tài)。而有些計算機要比其他計算機更強大。一旦研究者得出一個量子引力理論，他們可以問，這個理論的計算能力是怎樣的？“如果這個理論的計算能力太強，以至于可以計算在我們的世界中不可能計算的東西，那么我們至少會給這個理論打一個問號，”阿哈羅諾夫說，“這實際上是一種從不同的角度來判斷該理論是否合理的方法。”

　　該項目讓一些物理學(xué)家想起了過去一些重大理論剛剛起步時那些激動人心的年代。“我在1984年開始讀研究生，那一年恰逢所謂的第一次弦論革命，”加州理工學(xué)院的物理學(xué)家大栗博司說，“那是一個激動人心的時代，弦論逐漸成為大統(tǒng)一理論最有力的候選者。我看到，現(xiàn)在圍繞這個項目的爆炸式熱情就如同當(dāng)年一樣。對這個領(lǐng)域的年輕人來說，這無疑是一個令人興奮的年代，對我們這些在幾十年前拿到博士學(xué)位的人也是一樣。”

　?。ū疚淖髡呤恰犊茖W(xué)美國人》負責(zé)太空和物理學(xué)領(lǐng)域的資深編輯。她在美國衛(wèi)斯理大學(xué)獲得了天文學(xué)和物理學(xué)的學(xué)士學(xué)位，并在加利福尼亞大學(xué)圣克魯茲分校獲得了科學(xué)記者碩士學(xué)位。本文翻譯郭敏勇是北京師范大學(xué)物理系引力與相對論專業(yè)博士研究生）（由《環(huán)球科學(xué)》雜志社供稿）

(責(zé)編：魏艷、趙竹青)