纪念霍金：可以使用纠缠的量子比特探测黑洞吗？_风闻

今天是霍金纪念日，他于去年3月14日离世，霍金是现代最伟大的物理学家之一。

3月14日是国际圆周率日，也是爱因斯坦的生日，还是马克思逝世纪念日。

黑洞及霍金辐射

黑洞是质量极大、引力极强的天体，进入史瓦西半径的任何可见物质和辐射都无法逃逸，类似热力学上的黑体，故名黑洞。但这产生了新的问题：如果携带熵的物质进入黑洞后，岂不是熵也被消灭了？这是否违背了热力学第二定律？

霍金在论文中阐明：因为黑洞不断吞噬物质，所以黑洞的事件视界表面积永不会减少，两个黑洞合并后的表面积不会小于原先两个表面面积之和，这后来被称为黑洞热力学第二定律。雅各布·贝肯斯坦据此提出了黑洞熵的概念，他认为黑洞的表面积可以用来度量熵，黑洞的表面积与它的熵成正比，这样就不会违反热力学第二定律。

霍金原本认为，黑洞不能辐射出任何能量，因此黑洞不具有熵。但后来霍金研究了量子引力之后，修改了他的观点：黑洞会持续辐射粒子，其能谱符合热力学黑体辐射的物理性质。这样一来，虽然支持了贝肯斯坦关于熵的推论，但是好像又与黑洞热力学第二定律矛盾了。

对这个矛盾的解释就是霍金在物理学上的主要成就：

根据海森堡测不准原理，“真空”是不存在的，“真空”中会自然地产生出虚粒子对，每一对虚粒子都由一个正能量粒子和一个负能量粒子组成，总能量为零，并在极短的时间相互湮灭。这样即不会违反量子力学，也不会违反能量与物质守恒。

当这种量子现象发生在黑洞的视界边缘时，如果正能量虚粒子在湮灭前逃逸，而负能量的虚粒子在湮灭前进入黑洞视界，它们就不会相互湮灭，逃逸的正能量虚粒子成为有质量的实粒子，由质量和能量守恒定律，视界之内的虚粒子为负质量，所以黑洞的质量会因此而减少。外界看来黑洞好像在慢慢蒸发，这就是霍金辐射。32岁的霍金以此成就入选英国皇家学会院士。

黑洞信息佯谬

当物质消失在黑洞时，关于它的所有信息会在黑洞内与其他落入的物质和信息混淆在一起，包括物质的组成成分及其所有基本粒子的能量和动量，似乎再也不能分辨，其结果就是所谓”黑洞没有毛“，然而，如果进入黑洞的物质是纯量子态，其状态最终会被变换成为霍金辐射的混合态，进而毁灭原量子态的信息，这违反了刘维尔定理对信息守恒的预测并导致了所谓的“黑洞信息佯谬”。

因此一些物理学家认为即使信息进入黑洞也不会丢失，霍金曾为此跟他们打赌，一名坚持信息不会丢失的物理学家专门写了一本书叫《黑洞战争》专述此事。后来霍金认输，并在论文中提到事件视界的量子摄动可能允许信息从黑洞中逃出。

黑洞信息佯谬的几种解释

·信息永久丧失；

·信息随黑洞蒸发逐渐释出；

·信息在黑洞蒸发殆尽时瞬间释出；

·信息被储存在普朗克尺度残余；

·信息被储存在从本宇宙分离的子宇宙；

·信息被储存在未来与过去之间的关联。

这些观点似乎都存在明显的优点与缺点。

量子纠缠

在量子力学中，几个粒子在彼此相互作用后，由于各个粒子所拥有的特性已综合成为整体性质，无法单独描述各个粒子的性质，只能描述整体系统的性质，这个现象被称为量子纠缠。

虽然爱因斯坦称之为“鬼魅般的超距作用”并认为量子力学的表述不完备，然而多年来完成的多个实验证实这个量子力学的反直觉预言是对的。

加州大学伯克利分校的量子计算机实验

加州大学伯克利分校物理学助理教授诺曼·姚（Norman Yao）对了解量子混沌的本质很感兴趣，他从周界研究所的理论物理学家吉田本尼(Beni Yoshida)了解到：即使信息在黑洞内被迅速混淆，也可以通过量子纠缠理论恢复落入黑洞的量子信息。基于这一观点，他们去年提出了一个实验草案。门罗（Monroe）是马里兰大学帕克分校的物理学家，领导着一个世界领先的量子信息研究小组，他的团队决定试一试，利用7个比特位的量子计算机，设计并实现了吉田和姚提出的实验草案，获得了一些有效的测量数据。

图片：加州伯克利大学，Norman Yao

他们将在本月出版的《自然》杂志上发表一篇论文报告研究结果。

线索：

K. A. Landsman, C. Figgatt, T. Schuster, N. M. Linke, B. Yoshida, N. Y. Yao & C. Monroe. Verified quantum information scrambling. Nature, 2019 DOI: 10.1038/s41586-019-0952-6

Beni Yoshida, Norman Y. Yao. Disentangling Scrambling and Decoherence via Quantum Teleportation. Physical Review X, 2019; 9 (1) DOI: 10.1103/PhysRevX.9.011006