论文部分内容阅读
将黑洞与一种能在实验室中产生的物质联系起来，意味着可以通过实验在某些方面探索德瓦利的想法。德国慕尼黑市马克斯-普朗克研究所的物理学教授伊曼纽尔·布洛赫拥有玻色-爱因斯坦凝聚体的第一手经验。他把原子聚集在“光晶体”——通过多个交叉激光束产生的光学晶格之中，然后使用一种称为荧光成像的技术拍摄凝聚体的快照。由此获得的图片精美地展现了原子的相关量子行为。
伊曼纽尔·布洛赫研究了德瓦利的想法，虽然这个想法来源于一个与他完全不同的领域，但是很有意思，引人入胜。“我对德瓦利的建议感到非常兴奋，我认为这是一个非常新的东西。”布洛赫说。“人们已经观察到了与凝聚体相互作用的崩塌动力学，但是到目前为止还没有人研究过量子临界点以及那里发生的事情。”
“玻色-爱因斯坦凝聚体具有宏观量子波，意味着量子数会有很多波动。这就是玻色-爱因斯坦凝聚体通常看起来好像瑞士奶酪的原因，”布洛赫说。但是通过施加磁场，可以改变原子相互作用的强度，从而将它们引入有序的晶格中。让原子强烈地相互作用，然后进入非常有序的“莫特状态”。这是量子计算的一个很好的状态，有了这样的正规序列，可以用激光操纵原子，旋转它们，并改变自旋，从而进行编码和处理信息。 根据德瓦利的想法，黑洞物理学揭示了一种更好的方法：通过使用不同的量子态将信息存储在玻色-爱因斯坦凝聚体中。可以说，黑洞是物理学家所知道的最简单、最紧凑和最有效的信息存储工具。因此，使用黑洞的编码协议应该是在基于凝聚体的量子计算机中存储信息的最佳方法。
布洛赫说，在实验室中创建一个模拟黑洞的凝聚体似乎可以做到。“在一个黑洞中，相互作用的强度会自我调整。我们可以通过将相互作用的强度调整到冷凝体即将崩溃的位置来模拟类似的东西。随着越接近量子临界点，波动会变得越来越大。这可以模拟我们需要的系统。我们可以通过原位观测这些凝聚体来研究各种量子波动和非平衡情况，并且具有很高的空间分辨率。”
实现德瓦利的想法是可能的，却并不一定意味着它是实用的。布洛赫说：“现在，我对此有更多的怀疑而不是信仰。”他还指出，有效的信息存储固然好，但对于量子计算机来说，信息容量目前不是问题。他认为最大的挑战是找到一种方法来操纵德瓦利已经确定的量子态——数据处理，而不是数据存储。另外还有其他的实际障碍。“我们不清楚的还有很多因素，例如噪音，它能够抵抗噪音吗？我们不知道。”布洛赫说。“对我来说，更有意思的方面是与引力物理学的联系。”这里的含义远远超出了信息存储。
德瓦利关于引力与凝聚体物质之间存在联系的研究，为实验研究开辟了全新的领域。按照爱因斯坦的传统，物理学家一般认为弯曲的时空是物质及其相互作用的舞台。但现在几个独立的研究方向表明，时空可能并不像我们想象的那样微不足道。看起来，引力可以来自非引力物理学领域。
在过去的几十年中，引力与某些类型的流体之间的许多联系已经证明，具有集体量子行为的系统可以模仿弯曲的时空，从而产生与爱因斯坦广义相对论相同的方程。目前还没有一种方法可以通过假设时空是一种凝聚体来完全推广广义相对论，也没有人知道它是否有可能。尽管如此，新发现的关系使物理学家能够研究那些可以用原子凝聚体模拟的引力系统。
利用凝聚体模拟引力使物理学家能够探索那些实验无法进行的区域——例如黑洞视界。因此，虽然霍金辐射从未在真正的黑洞中被观察到，但人们已经测量了其通过玻色-爱因斯坦凝聚体模拟的黑洞。当然，这些凝聚体并不是真正的黑洞——它们捕获声波而不是光，但它们遵循一些相同的数学定律。因此，在某种意义上，冷凝体可以进行复杂的，甚至是难以处理的物理计算。
“我们喜欢谈论‘量子模拟’，并尝试使用这些系统来寻找在经典计算机上难以计算的有趣现象。”布洛赫说。“我们也试图用这种系统来测试其他系统，例如黑洞。”
应用黑洞物理学开发量子计算机的新协议是一回事，查明天体物理的黑洞是否真的是引力子的凝聚体是另一回事。“如果人们无法测试它，我对这个想法不感兴趣。”德瓦利的同事、宇宙学家斯特凡·霍夫曼说道。
斯特凡·霍夫曼花费了大量的时间来探索黑洞是引力子凝聚体这一观点的观测结果。“黑洞无毛发定理可以说是不正确的。”他同意德瓦利的观点。霍夫曼认为，黑洞视界附近的量子毛发会巧妙地改变广义相对论的预测（尤其是在黑洞形成或碰撞过程中引力波的发射），其方式应该是可以检测到的。霍夫曼在2015年的研讨会上说，“我的梦想是一个二元黑洞合并。”他的梦想成真了：美国加州理工学院和麻省理工学院的合作实验室——激光干涉引力波观测站（简称LIGO）的研究人员最近宣布首次测量到一对黑洞合并发出的引力波。
由于宏观量子效应，德瓦利提出的信息丢失问题的解决方案可能很快就会在实验上得到检验。然而，黑洞是引力子的量子临界凝聚体、相当于玻色-爱因斯坦凝聚体的想法，留下了许多问题。首先，德瓦利的计算无法解释落入黑洞的物体实际发生了什么。斯特凡·霍夫曼也承认，目前还不清楚这个物体是如何融入传统意义上的“黑洞”， 因为它不能再在我们熟悉的广义相对论框架内被描述。
来自法国馬赛大学的卡洛·罗维利认为，即使形式不完整，德瓦利关于黑洞作为凝聚体的想法在科学上也是有用的。“它们也许在某种程度上是相符的，特别是在长波范围内。对于时空的低频量子波动，这可能并不荒谬。”罗维利说。然而，他提醒说，凝聚体模型“不能完整描述黑洞中发生的事情”。
不过，显而易见的是，这项研究揭示了一种以前未被认识到且非常富有成果的关系。德瓦利说：“我们在量子信息和黑洞物理学之间建立了一座非常有趣的桥梁，这在以前没有讨论过。”如果他是对的，其意义是十分惊人的。信息确实永远存在，从这个意义上讲，我们都是不朽的。银河系中心的超大质量黑洞，也可能是一个宇宙量子计算机。
