時空本源是量子糾纏

2016年7月，斯坦福大學的物理學家帕特里克·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

【環球科技】

莎士比亞曾寫下這樣一句話：「整個世界是一個舞台。」物理學家也傾向於以這種方式思考，他們的舞台就是空間本身。在他們看來，對於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。空間本身，按照傳統的觀點來看，並不是由其他什麼東西構成的。

然而，一些科學家開始質疑這一傳統觀點。空間——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。根據這個想法，這些小塊的信息通過彼此間的相互作用，創造出了時空並賦予其各種特性，比如引起引力效應。這個觀點如果正確，就不僅能解釋時空的起源，還可能幫助物理學家建立起他們追尋多年的量子引力理論。

科學家希望通過量子計算和理論物理的結合，來研究時空是否是由微小的信息比特通過量子糾纏構建起來的。兩大物理學理論是否能統一在一起至關重要，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百位物理學家，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，類似於計算機中的bit（比特）。「it from Qubit」背後的設想是，宇宙由某種底層代碼構築而成，通過破解這些代碼，物理學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。

最近的一次「it from Qubit」（IfQ）會議於2016年7月在加拿大安大略省的圓周理論物理研究所舉行。主辦方原本預計約有90人註冊，但是因為收到了太多的申請，結果最終不得不接收了200人，並在別的大學同時舉辦6個遠程衛星會議。「我認為，就算由信息構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。」普林斯頓大學的博士後研究員內特·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容，所以它把兩組以前沒有什麼交集的研究人員整合在了一起，其中一組是量子信息科學家，另一組是高能物理與弦理論領域的科學家。大約一年前，支持科學和數學研究的私人機構「西蒙斯基金會」撥款成立了「it from Qubit」合作項目，並資助物理學家在這個領域做研究以及開會討論。自那以後，物理學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後研究員吉田紅說：「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家的注意。沒有參與IfQ項目的哥倫比亞大學弦理論專家布萊恩·格林說：「如果理論物理與量子信息理論的結合真如人們預期的那樣成功，那麼這種結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

時空由比特或者什麼別的東西「組成」的設想是與廣義相對論的預言背道而馳的。新的觀點認為，時空並不是基本的，而是通過量子比特的相互作用「湧現」出來的。這些比特到底是由什麼構成的，它們又包含著哪些信息，科學家也不知道。然而，有趣的是，這些問題並未給科學家帶來困擾。「重要的是比特之間的關係」而不是比特本身，IfQ項目組成員、斯坦福大學的博士後布萊恩·斯溫格爾說：「這些集體關係是宇宙豐富物理特性的源泉。這裡的關鍵不是它們的組成單元，而是這些單元組合在一起的方式。」

這種組合的關鍵可能是一種被稱為量子糾纏的奇怪現象，這是粒子之間可能存在的一種不可思議的關聯，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、賓夕法尼亞大學物理學家維賈伊·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：時空的結構是由更基本的某種『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。」

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

要理解糾纏如何產生時空，物理學家首先必須更清楚地理解糾纏到底是怎樣發揮作用的。自從1935年愛因斯坦和合作者預言了量子糾纏以來，就像愛因斯坦自己形容的那樣，這種現象看上去一直「如幽靈般」神秘，因為兩個相距甚遠的粒子竟然可以發生瞬時聯繫，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，科學家一直在研究幾種不同類型的糾纏。常規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）的關聯。但是，「常規的糾纏是不夠的」，巴拉蘇布拉馬尼亞恩說，「我已經認識到存在其他形式的糾纏，那些糾纏與這個重構時空的項目息息相關。」比如，可以讓不同種類的粒子在同一個位置發生糾纏，即一種不涉及空間的糾纏。科學家也在著手攻克由更多數目的粒子相互糾纏而帶來的令人眩暈的複雜性。

科學家期望，一旦認清了糾纏的機制，他們就能夠理解時空是怎麼湧現出來的，就像空氣中原子的微觀運動產生熱力學和天氣的複雜模式一樣。這些都是「湧現」現象，恩格爾哈特說，「當你把鏡頭拉遠，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於更小尺度的物理機制。這是IfQ最迷人的地方之一，因為我們現在還不清楚時空湧現背後的基本量子動力學。」

3.二維理論

這項工作的主要目標是得到一個理論，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的科學家寄希望於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於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於操作的等價理論。

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，內部（三維的「體」）的物理規律完美地對應於外部（二維的「邊界」）的物理規律。

AdS/CFT或許能讓物理學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，描述相同的物理規律。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麼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物的方式。換句話說，在某種程度上，是糾纏把三維體內的信息編碼成了比特，並儲存在二維邊界上。

在過去的20年里，科學家發現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麼會這樣。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，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，因為該領域中一個叫作量子糾錯碼的概念也能夠在AdS/CFT對偶中發揮作用。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家設計了這些糾錯碼以防止信息丟失。量子計算機並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。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，量子糾錯的數學規律同樣出現在了AdS/CFT對偶里。科學家將多個比特糾纏在一起設計成糾錯網路的方法，看起來也能用來把黑洞內部的信息通過糾纏編碼到黑洞的邊界上。希伯來大學的量子計算科學家，IfQ首席研究員多里特·阿哈羅諾夫說:「你在黑洞內部可以找到量子糾錯碼，這是一件非常有趣的事情。」

即使物理學家成功理解了AdS/CFT的工作原理，從而設計出一個可以替代量子引力理論的低維理論，他們仍然沒有獲得成功。這個對應本身只對宇宙的「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，適用於我們真實宇宙的各種引力法則，並不適用於上述對應原理中的簡化世界。「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——如果你發射一道光線，它會打到空間的牆面上再反射回來，這在我們所生活的膨脹宇宙里是不可能發生的。」這個模型給物理學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。

一些質疑者說，如果IfQ建立在不真實的基礎上，它能得到什麼有意義的結果呢？「這無疑是一個非常有力的批評，」恩格爾哈特說，「為什麼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，通過添加必需的複雜因素，最終能把上述理論應用到真實的世界中。

4.又一次革命

儘管有質疑聲，但不管是這個項目組內，還是與項目無關的科學家都認為IfQ值得嘗試。它已經開闢了新的研究領域。加利福尼亞大學伯克利分校的物理學家拉斐爾·布索說：「我長久以來就覺得量子信息和量子引力之間的聯繫極為重要。」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。「這種聯繫在近些年不斷加深，我很高興看到如此多的傑出物理學家在一起工作，共同面對其中的問題。這最終會帶我們走到哪裡，讓我們拭目以待吧。」同樣不是IfQ項目組成員的斯坦福大學理論物理學家伊娃·西爾弗斯坦認同這一看法：「很明顯，發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，我們需要做的還有很多，很重要的一點是，我們不能過於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，它仍可能產生有價值的研究分支。比如，將弦理論和廣義相對論的技術和想法運用到用量子信息問題中，將有助於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造量子計算機。「當你把這些工具運用到新的環境中，很可能會得到在其他領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，科學家已經發現，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，把量子信息科學和弦理論結合起來，或許不僅有助於我們建立量子引力理論，還能幫助我們評判物理學家發現的任何一種理論。任何一個物理理論都可以看成一台計算機，它的輸入和輸出就相當於理論中可測的初態和末態。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，以至於可以計算在我們的世界中不可能計算的東西，那麼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，」加州理工學院的物理學家大栗博司說，「那是一個激動人心的時代，弦論逐漸成為大統一理論最有力的候選者。我看到，現在圍繞這個項目的爆炸式熱情就如同當年一樣。對這個領域的年輕人來說，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位的人也是一樣。」

（本文作者是《科學美國人》負責太空和物理學領域的資深編輯。她在美國衛斯理大學獲得了天文學和物理學的學士學位，並在加利福尼亞大學聖克魯茲分校獲得了科學記者碩士學位。本文翻譯郭敏勇是北京師範大學物理系引力與相對論專業博士研究生）（由《環球科學》雜誌社供稿）

(責編：胡艷明)