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(huì)議中做講座。

　　量子計(jì)算機(jī)

　　【環(huán)球科技】

　　莎士比亞曾寫下這樣一句話：“整個(gè)世界是一個(gè)舞臺(tái)。”物理學(xué)家也傾向于以這種方式思考，他們的舞臺(tái)就是空間本身。在他們看來，對(duì)于空間中容納的各種力和場(chǎng)的相互作用，空間有時(shí)僅僅只是一塊背景。空間本身，按照傳統(tǒng)的觀點(diǎn)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(diǎn)。空間——或者說廣義相對(duì)論里的時(shí)空——實(shí)際上可能是由小塊的信息組成的。根據(jù)這個(gè)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(shí)空并賦予其各種特性，比如引起引力效應(yīng)。這個(gè)觀點(diǎn)如果正確，就不僅能解釋時(shí)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(jì)算和理論物理的結(jié)合，來研究時(shí)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?yàn)槟壳八麄兪遣幌嗳莸摹?/p>

　　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?cè)?ldquo;it from Qubit”項(xiàng)目的資助下每三個(gè)月左右碰面一次，進(jìn)行討論。項(xiàng)目名中的“it”指的是時(shí)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(jì)算機(jī)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(gè)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(huì)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(jì)約有90人注冊(cè)，但是因?yàn)槭盏搅颂嗟纳暾?qǐng)，結(jié)果最終不得不接收了200人，并在別的大學(xué)同時(shí)舉辦6個(gè)遠(yuǎn)程衛(wèi)星會(huì)議。“我認(rèn)為，就算由信息構(gòu)成時(shí)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(xiàng)目的正式成員，但還是參加了其中不少會(huì)議，他說：“這方面的研究剛剛起步。”

　　因?yàn)檫@個(gè)項(xiàng)目既涉及量子計(jì)算，又涉及時(shí)空與廣義相對(duì)論的研究?jī)?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(jī)構(gòu)“西蒙斯基金會(huì)”撥款成立了“it from Qubit”合作項(xiàng)目，并資助物理學(xué)家在這個(gè)領(lǐng)域做研究以及開會(huì)討論。自那以后，物理學(xué)家對(duì)這一課題的熱情日益高漲，接連的會(huì)議吸引了越來越多的研究者，其中一些是西蒙斯基金會(huì)資助的這個(gè)合作項(xiàng)目的正式成員，還有許多人則單純是對(duì)這個(gè)課題感興趣。IfQ項(xiàng)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(gè)項(xiàng)目正在解決一個(gè)非常重要但同時(shí)又非常困難的問題。合作是必要的，因?yàn)檫@看起來不像是一個(gè)人就能解決的問題。”

　　這個(gè)計(jì)劃甚至引起了項(xiàng)目外的科學(xué)家的注意。沒有參與IfQ項(xiàng)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(shí)間的理解上帶來下一次革命。”

　　2.糾纏與時(shí)空

　　時(shí)空由比特或者什么別的東西“組成”的設(shè)想是與廣義相對(duì)論的預(yù)言背道而馳的。新的觀點(diǎn)認(rèn)為，時(shí)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(xiàng)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(gè)糾纏的粒子即使相隔很遠(yuǎn)，對(duì)其中一個(gè)粒子進(jìn)行操作也會(huì)對(duì)第二個(gè)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(gè)極為誘人的方案：時(shí)空的結(jié)構(gòu)是由更基本的某種‘時(shí)空原子’通過量子糾纏編織而成的。如果這是真的，那實(shí)在是神奇。”

　　這個(gè)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(shí)空的幾何結(jié)構(gòu)和糾纏存在著關(guān)聯(lián)。在這項(xiàng)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(dá)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(gè)黑洞糾纏在一起，它們就會(huì)產(chǎn)生蟲洞，即廣義相對(duì)論所預(yù)言的一種時(shí)空中的捷徑。這項(xiàng)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(gè)綽號(hào)“ER=EPR”）和其他相關(guān)工作令人驚訝地表明，過去被認(rèn)為不涉及實(shí)體聯(lián)系的糾纏竟然能產(chǎn)生時(shí)空結(jié)構(gòu)。

　　要理解糾纏如何產(chǎn)生時(shí)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?yàn)閮蓚€(gè)相距甚遠(yuǎn)的粒子竟然可以發(fā)生瞬時(shí)聯(lián)系，這看起來似乎破壞了一個(gè)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(gè)同類粒子間單個(gè)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(rèn)識(shí)到存在其他形式的糾纏，那些糾纏與這個(gè)重構(gòu)時(shí)空的項(xiàng)目息息相關(guān)。”比如，可以讓不同種類的粒子在同一個(gè)位置發(fā)生糾纏，即一種不涉及空間的糾纏。科學(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(rèn)清了糾纏的機(jī)制，他們就能夠理解時(shí)空是怎么涌現(xiàn)出來的，就像空氣中原子的微觀運(yùn)動(dòng)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(yuǎn)，從更宏觀的角度看一個(gè)東西時(shí)，你會(huì)看到與之前不大一樣的圖像，你甚至不知這個(gè)圖像來自于更小尺度的物理機(jī)制。這是IfQ最迷人的地方之一，因?yàn)槲覀儸F(xiàn)在還不清楚時(shí)空涌現(xiàn)背后的基本量子動(dòng)力學(xué)。”

　　3.二維理論

　　這項(xiàng)工作的主要目標(biāo)是得到一個(gè)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(gè)世紀(jì)里一直不斷受阻。愛因斯坦自己生前就一直在頑強(qiáng)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(gè)原理是指，一些物理理論可以等價(jià)于低維宇宙中更簡(jiǎn)單的理論。就像一張二維明信片上面的獨(dú)角獸全息圖，它可以儲(chǔ)存全部的必要信息，來描繪出獨(dú)角獸的三維立體形狀。因?yàn)檎业揭粋€(gè)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(gè)易于操作的等價(jià)理論。

　　全息原理一個(gè)最為成功的實(shí)例是名為AdS/CFT對(duì)偶（反德西特時(shí)空/共形場(chǎng)論對(duì)偶，anti-de Sitter/conformal field theory correspondence的首字母縮寫）的理論。這個(gè)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(duì)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(gè)與量子引力等價(jià)的理論，在完全不考慮引力的情況下，以更簡(jiǎn)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(huì)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(shí)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(chǔ)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(duì)偶是奏效的——二維的理論的確可以描述三維的情形，這種機(jī)制被稱為對(duì)偶——但是他們還沒有完全理解為什么會(huì)這樣。斯溫格爾說:“（IfQ）有個(gè)值得期盼的成果，就是一個(gè)能夠解釋對(duì)偶機(jī)制的理論。我想，通過這樣的合作，我們必然可以完成這個(gè)目標(biāo)，或者至少（我們可以）在這個(gè)方向上取得重大進(jìn)展。”

　　量子信息理論或許能夠有所幫助，因?yàn)樵擃I(lǐng)域中一個(gè)叫作量子糾錯(cuò)碼的概念也能夠在AdS/CFT對(duì)偶中發(fā)揮作用。因?yàn)楸忍刂g的糾纏會(huì)受到干擾，所以研究量子計(jì)算的科學(xué)家設(shè)計(jì)了這些糾錯(cuò)碼以防止信息丟失。量子計(jì)算機(jī)并不是用單個(gè)比特編碼信息的，它利用的是多個(gè)比特的高度糾纏態(tài)。這樣一來，單個(gè)比特的錯(cuò)誤將不會(huì)影響一條信息的準(zhǔn)確度。但奇怪的是，量子糾錯(cuò)的數(shù)學(xué)規(guī)律同樣出現(xiàn)在了AdS/CFT對(duì)偶里。科學(xué)家將多個(gè)比特糾纏在一起設(shè)計(jì)成糾錯(cuò)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(jì)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(cuò)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(jì)出一個(gè)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(gè)對(duì)應(yīng)本身只對(duì)宇宙的“玩具模型”有效，而這一模型是對(duì)我們所處真實(shí)宇宙的簡(jiǎn)化。特別是，適用于我們真實(shí)宇宙的各種引力法則，并不適用于上述對(duì)應(yīng)原理中的簡(jiǎn)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(huì)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(gè)模型給物理學(xué)家提供了一個(gè)有用的理論場(chǎng)地，去測(cè)試他們的想法，在簡(jiǎn)單的圖像里，攻克量子引力會(huì)變得相對(duì)簡(jiǎn)單一些。

　　一些質(zhì)疑者說，如果IfQ建立在不真實(shí)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(gè)非常有力的批評(píng)，”恩格爾哈特說，“為什么我們把注意力放在這個(gè)玩具模型上？這一方面是因?yàn)橥婢吣Ｐ捅旧硎钦_的，另一方面我們認(rèn)為，玩具模型事實(shí)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(shí)的宇宙。”IfQ的研究者相信，從一個(gè)比較容易著手的簡(jiǎn)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(shí)的世界中。

　　4.又一次革命

　　盡管有質(zhì)疑聲，但不管是這個(gè)項(xiàng)目組內(nèi)，還是與項(xiàng)目無關(guān)的科學(xué)家都認(rèn)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(zhǎng)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(xiàng)目組成員，但和項(xiàng)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(duì)其中的問題。這最終會(huì)帶我們走到哪里，讓我們拭目以待吧。”同樣不是IfQ項(xiàng)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(rèn)同這一看法：“很明顯，發(fā)展和運(yùn)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(dòng)力學(xué)，我們需要做的還有很多，很重要的一點(diǎn)是，我們不能過于狹隘地把注意力只放在某一個(gè)方法上。”

　　此外，即使這個(gè)項(xiàng)目沒能給我們一個(gè)量子引力理論，它仍可能產(chǎn)生有價(jià)值的研究分支。比如，將弦理論和廣義相對(duì)論的技術(shù)和想法運(yùn)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(shí)空以及構(gòu)造量子計(jì)算機(jī)。“當(dāng)你把這些工具運(yùn)用到新的環(huán)境中，很可能會(huì)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(jìn)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(cè)量時(shí)間。

　　更進(jìn)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?cè)u(píng)判物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)的任何一種理論。任何一個(gè)物理理論都可以看成一臺(tái)計(jì)算機(jī)，它的輸入和輸出就相當(dāng)于理論中可測(cè)的初態(tài)和末態(tài)。而有些計(jì)算機(jī)要比其他計(jì)算機(jī)更強(qiáng)大。一旦研究者得出一個(gè)量子引力理論，他們可以問，這個(gè)理論的計(jì)算能力是怎樣的？“如果這個(gè)理論的計(jì)算能力太強(qiáng)，以至于可以計(jì)算在我們的世界中不可能計(jì)算的東西，那么我們至少會(huì)給這個(gè)理論打一個(gè)問號(hào)，”阿哈羅諾夫說，“這實(shí)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(xiàng)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(shí)那些激動(dòng)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(gè)激動(dòng)人心的時(shí)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(gè)項(xiàng)目的爆炸式熱情就如同當(dāng)年一樣。對(duì)這個(gè)領(lǐng)域的年輕人來說，這無疑是一個(gè)令人興奮的年代，對(duì)我們這些在幾十年前拿到博士學(xué)位的人也是一樣。”

　　（本文作者是《科學(xué)美國(guó)人》負(fù)責(zé)太空和物理學(xué)領(lǐng)域的資深編輯。她在美國(guó)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(duì)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)