黑洞是宇宙级量子计算机？信息或将不朽

　　这个令人宽慰的概念只有一个明显例外：根据我们目前的物理理解，信息无法在黑洞中存活。四十年前，史蒂芬·霍金证明黑洞足以摧毁信息。落入黑洞的物体 将从宇宙消失。它最终作为名为 「霍金辐射」 ( Hawking Radiation ) 的粒子风出现，从黑洞的外在物理边界——视界 ( Event Horizon ) 漏出。这样下来，黑洞慢慢蒸发，并且在过程中删除黑洞形成的所有信息。霍金辐射仅携带物质坍塌前总质量，电荷和角动量的数据；其它落入黑洞的细节则无处可 寻。

　　霍金发现的黑洞蒸发是理论物理学家面临的巨大难题：广义相对论认为黑洞必须摧毁信息；量子力学认为这不可能，因为信息必须永远存在。广义相对论和量子 力学都是经受了验证的理论，但在这个问题它们却拒绝统一。这一冲突揭示的是比黑洞的看似古怪的特征更基本的问题：信息悖论表明，物理学家仍然尚未弄清大自 然的基本定律。

　　不过来自慕尼黑德维希 -马克西米利安大学的物理教授 Gia Dvali 相信，他已经找到了解决方法。他表示：「黑洞是量子计算机。我们面对的是明确的信息处理序列。」 如果他是正确的，那么悖论将被消除，而信息确实是不朽的。但更令人吃惊的也许是概念背后的实际意义。我们也许可以通过黑洞物理建立自己未来的量子计算机。

　　信息在黑洞中难以恢复的主要原因是，它们基本是无特征的类球状体，在视界上没有物理属性；正如已故的美国物理学家约翰·惠勒所言，它们「无发丝」 ( No Hair )。标准论点表示，你不能把信息储存在没有特征以供编码的东西上。而这是错误的。Dvali 说：「所有认为黑洞无发丝的定理都是错的。」他和同事们认为，迄今为止尚未被发现的承载引力并且组成时空的量子—— 引力子在黑洞中无处不在，而它们产生了储存和释放信息的「量子发丝」(Quantum Hair) 。

　　这项新研究建立在量子理论的一个反直觉特征上：量子效应不一定只在微观尺度上存在。的确，这些效应很脆弱，并在像地球这样温暖和繁忙的环境中会迅速被 消灭。这是为什么它们不常见的原因。这也是开发量子计算机的主要挑战：它使用粒子的量子态处理信息，而非同传统晶体管的开关逻辑。不过在寒冷和与世隔绝的 地方，量子行为可以长距离保持，足以横跨几十到数十亿公里的黑洞视界。

　　你甚至不需要到外太空才可以见证到长距离的量子效应。黑洞量子发丝所需的超大距离和质量让制造一个黑洞量子发丝超出了我们的实验能力，但是通过将原子 冷却至低于一万分之一开氏度（即比绝对零度高万分之一开氏度），研究员将十亿个原子——延伸在数毫米的范围里——凝聚至单一量子态。对集体量子行为来说， 这已是个巨大的数目。

　　如果黑洞本质上是一个凝聚的引力的水坑，那么霍金的信息谜题会找到一个自然的解决方案。

　　这样的一个宏观量子状态——即玻色–爱因斯坦凝聚（Bose-Einstein condensate），以印度物理学家 Satyendra Bose 和 Albert Einstein 命名——目前是创造可行量子计算机最有前景的工具之一。玻色–爱因斯坦凝聚中的量子效应，例如可以同时存在于两个地方的能力，能够穿过整个凝聚，并生成许 多互相作用的状态。如果研究员能够稳定凝聚态并控制这些状态，极其强大的信息处理能力将成为可能。不仅如此，玻色–爱因斯坦凝聚还可能揭开盘桓数十年的黑 洞信息蒸发之谜。

　  Dvali 指出，如果黑洞由经历玻色–爱因斯坦凝聚的引力——即凝聚的引力的水坑——所组成，那么霍金所提出的信息谜题也许可以找到一个自然解决方案。这个想法也许 听起来疯狂，但是对于 Dvali 来说，这是一个有着完美逻辑的结论，它凝结了自从霍金第一次抛出了谜题以来许多物理学家对于黑洞的研究。理论学家知道如何计算黑洞能够储存的信息量大小： 他们还发现了黑洞可以迅速地重新分配或「搅乱」信息。最终，他们计算出了信息该以多快的速率逃离黑洞才能避免与量子力学的冲突。

　  从2012年开始，Dvali 探索了这些不同的特性，并惊讶地发现一种特殊的玻色–爱因斯坦凝聚具有与黑洞相同的基本特征。为了模仿黑洞的行为，凝聚必须停留在一个过渡点——也称为量 子临界点——在这个点上扩散的波动正好在量子坍塌之前跨越流体。Dvali 计算过，这样的量子临界凝聚态与黑洞有着相同的熵、搅乱能力以及释放时间：它正好有着正确的量子发丝。他说道：「有人会说这是一个巧合，但是我认为它是最 强力的数学证据——黑洞其实就是玻色–爱因斯坦凝聚。」将黑洞与一种实验室能够创造出来的事物联系起来，这意味着 Dvali 的想法的某些方面可以在实验中进行研究。Immanuel Bloch 是慕尼黑普朗克研究所的物理学教授，他有关于玻色–爱因斯坦凝聚的第一手经验。他在「光晶体」——通过多个激光束的相交制造出的光学格子——中凝聚原子， 然后利用一种叫做荧光成像的技术捕捉凝聚态。结果图像非常优美地揭开了原子的相关量子行为的秘密。