在時空中糾纏

莎士比亞寫道，“世界是一個舞臺”，物理學家也傾向於這樣認為。他們的舞臺恰好是空間本身，對他們來說，空間有時似乎只是棲息於其中的力和場的動作的背景。傳統的觀點認為，空間根本不是由任何東西組成的。

然而，科學家們已經開始質疑這種傳統觀念。空間——或者更確切地說，用廣義相對論的語言來說，時空——實際上可能由微小的資訊塊組成。這種觀點認為，這些資訊塊相互作用，創造時空，併產生其屬性，例如導致引力產生的曲率。如果這個概念是正確的，它不僅可以解釋時空。它還可以幫助物理學家實現長期以來尋求的量子引力理論，該理論將融合廣義相對論和量子力學，這兩種偉大的宇宙理論往往格格不入。這種被稱為“量子位元生萬物”的思路，近來引起了越來越多物理學家的興趣。

這裡的“萬物”指的是時空，而量子位元（發音為“cue-bit”，來自“量子位”）代表最小可能的資訊量——類似於計算機的“位元”，但處於量子尺度。量子位元生萬物背後的核心思想是，宇宙是由某種底層程式碼構建起來的，透過破解這個程式碼，物理學家最終將找到理解宇宙中大規模事件量子性質的方法。量子位元生萬物（IfQ）的早期會議於2016年7月在安大略省的 Perimeter 理論物理研究所舉行。組織者預計約有 90 名註冊者，但收到了如此多的申請，以至於最終接納了 200 人，並在其他大學同時運行了六個遠端衛星會議。“我認為這是最有希望的研究途徑之一，如果不是最有希望的，是通向量子引力的，”麻省理工學院的物理學教授內塔·恩格爾哈特說，她 沒有正式參與量子位元生萬物專案，但參加過它的一些會議。“它正在蓬勃發展。”

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由於該專案涉及量子計算機科學以及時空和廣義相對論的研究，它彙集了兩組通常不合作的研究人員——一方是量子資訊科學家，另一方是高能物理學家和絃理論家。五年多前，支援科學和數學研究的私人組織西蒙斯基金會授予了一筆贈款，用於成立量子位元生萬物合作專案，並資助物理學家研究和舉行關於該主題的會議。從那時起，興奮感不斷增長，隨後的會議吸引了越來越多的研究人員，其中一些是西蒙斯基金會資助的合作專案的正式成員，還有許多人只是對該主題感興趣。“這個專案正在解決非常重要但非常困難的問題，”量子位元生萬物合作者貝尼·吉田說，他是 Perimeter 研究所的教員 。“合作是必要的——這不像一個人可以解決這個問題。”

即使是不從事量子位元生萬物研究的科學家也注意到了。“如果與量子資訊理論的聯絡被證明像一些人預期的那樣成功，它很可能會引發我們對空間和時間理解的下一次革命，”哥倫比亞大學的弦理論家布萊恩·格林說，他沒有參與量子位元生萬物專案。“這是一件大事，非常令人興奮。”

糾纏時空

時空具有位元或“由任何東西組成”的觀點與廣義相對論的傳統圖景有所不同。新的觀點認為，時空可能不是根本的，而是可能透過量子位元的相互作用“湧現”出來。這些位元究竟是由什麼組成的，它們包含什麼型別的資訊？科學家們不知道。然而，有趣的是，這似乎並沒有困擾他們。“重要的是位元之間的關係”，而不是位元本身，量子位元生萬物合作者、馬里蘭大學帕克分校的助理教授布萊恩·斯溫格爾說。“這些集體關係是豐富性的來源。這裡的關鍵不是組成部分，而是它們的組織方式。”

這種組織的關鍵可能是被稱為量子糾纏的奇異現象——粒子之間可能存在的一種奇怪的相關性，其中對一個粒子執行的動作會影響另一個粒子，即使它們之間相隔很遠。“最近一個絕對令人著迷的提議是，時空的結構是由時空底層‘原子’的量子糾纏編織在一起的，”賓夕法尼亞大學的物理學家維賈伊·巴拉斯布拉馬尼安說，他是量子位元生萬物的主要研究人員。“如果這是真的，那就太棒了。”

這個想法背後的推理來自於物理學家早期的幾項發現，例如 2006 年，現任普林斯頓大學的柳伸勢和現任日本京都大學的高柳匡發表了一篇論文，表明糾纏與時空的幾何形狀之間存在聯絡。在這一工作的基礎上，2013 年，新澤西州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物理學家倫納德·薩斯金德發現，如果兩個黑洞發生糾纏，它們將建立一個蟲洞——廣義相對論預測的時空捷徑。這一發現（暱稱 ER=EPR，以物理學家對蟲洞和糾纏的簡寫命名，基於提出它們的科學家的名字）以及其他類似的發現令人驚訝地表明，糾纏——以前被認為不涉及物理連線——可以在時空中產生結構。

為了理解糾纏如何產生時空，物理學家首先必須更好地理解糾纏是如何工作的。自從愛因斯坦和合作者在 1935 年預測它以來，這種現象一直顯得“幽靈般”，因為它涉及遠距離粒子之間的瞬時連線，這似乎無視了沒有什麼東西可以比光速更快的限制。近來，科學家們一直在研究幾種不同型別的糾纏。傳統的糾纏涉及在空間中分散的多個相同型別的粒子中連線單個特徵（例如粒子的自旋）。但“傳統的糾纏是不夠的，”巴拉斯布拉馬尼安說。“我已經意識到，還有其他形式的糾纏被證明與重建時空的專案相關。”例如，可以將一個位置的某種型別的粒子與同一位置的不同型別的粒子糾纏在一起——這種糾纏不涉及空間。科學家們也在努力解決糾纏更多數量粒子的令人困惑的複雜性。

一旦糾纏的動力學變得清晰，科學家們希望理解時空是如何出現的，就像空氣中分子的微觀運動如何產生熱力學和天氣的複雜模式一樣。這些是湧現現象，恩格爾哈特說。“當你放大某物時，你會看到一幅不同的畫面，你不會知道它是由於更小的動力學而產生的。這是量子位元生萬物最令人著迷的事情之一，因為我們不理解時空湧現出來的基本量子動力學。”

宇宙全息圖

所有這些工作的主要目標是最終實現一個從量子角度描述引力的理論。然而，在過去的一個世紀裡，追求這一目標的物理學家一直受阻——愛因斯坦本人也頑強地追求這樣一個理論直到去世，但沒有成功。量子位元生萬物的科學家們寄希望於一個被稱為全息原理的想法來幫助他們。

這個原理表明，一些物理理論等同於在低維宇宙中工作的更簡單的理論，就像帶有獨角獸全息圖的二維明信片可以包含描述和描繪獨角獸三維形狀所需的所有資訊一樣。由於找到一個可行的量子引力理論非常困難，因此，這種思路認為，物理學家可以致力於發現一個等效的、更易於處理的理論，該理論在維度低於我們宇宙的宇宙中執行。

全息原理最成功的體現之一是被稱為 AdS/CFT 對偶性（技術術語“反德西特/共形場論對偶性”的縮寫）的發現，它表明人們可以透過描述黑洞表面發生的事情來完全描述一個黑洞。換句話說，內部——3D“體”——的物理學與外部——2D“邊界”——的物理學完美對應。馬爾達西納在 20 世紀 90 年代末在弦理論框架內發現了這種關係，弦理論是另一種嘗試量子引力理論的方法。弦理論用微小的、振動的弦取代了自然界的所有基本粒子。

AdS/CFT 可能使物理學家發現一個等同於量子引力的理論，實現所有相同的目標，並且可以描述所有相同的物理學，但更易於處理——透過完全排除引力。“具有引力的理論很難獲得量子描述，而沒有引力的理論更容易完全描述，”巴拉斯布拉馬尼安說。但是，有人可能會問，一個排除引力的理論怎麼可能成為所謂的量子引力理論呢？也許我們認為的引力和時空只是另一種看待糾纏最終產物的方式——換句話說，糾纏可能以某種方式將來自 3D 體的資訊編碼到儲存在 2D 邊界上的位元中。“這是一個非常令人興奮的方向，”他說。

大約 20 年來，科學家們發現 AdS/CFT 對偶性是有效的——一個 2D 理論可以描述一個 3D 情況，一種被稱為對偶性的設定——但他們並不完全理解為什麼。“我們知道這兩個理論是對偶的，但目前尚不清楚是什麼使對偶性起作用，”斯溫格爾說。“你可以期望量子位元生萬物的一個成果是對這些對偶性如何產生的理論。我認為這絕對可以並且將會作為這次合作的結果發生，或者至少[我們將取得]朝著這個方向的重大進展。”

量子資訊理論或許能夠提供幫助，因為來自該領域的一個概念，即量子糾錯碼，也可能在 AdS/CFT 對偶性中發揮作用。研究量子計算的科學家設計了這些程式碼，以幫助保護資訊免受丟失，如果任何東西干擾了位元之間的糾纏。量子計算機不是將資訊編碼在單個位元中，而是使用多個位元的高度糾纏態。這樣，單個錯誤不會影響任何資訊的準確性。然而，奇怪的是，量子糾錯碼中涉及的相同數學也出現在 AdS/CFT 對偶性中。科學家們用來將多個位元糾纏在一起形成防錯網路的排列方式，似乎也可能負責透過糾纏將來自黑洞內部的資訊編碼到其表面上。“在黑洞內部發現量子糾錯碼非常有趣，”量子資訊科學家、耶路撒冷希伯來大學的量子位元生萬物主要研究人員多麗特·阿哈羅諾夫說。“這到底是怎麼發生的？這些聯絡真是令人著迷。”

即使物理學家設法理解 AdS/CFT 對偶性是如何工作的，從而設計出一個可以代替量子引力的低維理論，他們仍然沒有完全成功。對偶性本身僅在宇宙的“玩具模型”中起作用，該模型與我們居住的完全實現的宇宙相比有所簡化。特別是，適用於我們真實宇宙的所有引力規則在對偶性的簡化世界中都不起作用。“AdS/CFT 有一種引力，但它不是像我們居住的膨脹宇宙中的引力理論，”斯溫格爾說。“它描述了一個宇宙，就好像它在一個瓶子裡一樣——如果你照射一束光，它會從空間的牆壁上反彈。這在我們膨脹的宇宙中不會發生。”這個模型為物理學家提供了一個有用的理論遊樂場，讓他們可以在其中測試他們的想法，簡化的圖景使處理量子引力變得更容易。“你可以希望它是在最終理解我們自己宇宙中的引力的有用中轉站，”斯溫格爾說。

一些懷疑論者說，如果量子位元生萬物是基於不現實的基礎，那麼它能有多大的成效呢？“這當然是一個非常有效的批評，”恩格爾哈特說。“我們為什麼要關注這個玩具模型？這一切都取決於玩具模型的有效性，以及玩具模型最終代表我們宇宙的想法。我想確保，如果我們理解了玩具模型，我們就理解了真實情況。”量子位元生萬物的研究人員押注，透過從一個更易於處理的簡化圖景開始，他們最終可以增加必要的複雜性，將該理論應用於現實世界。

回報

儘管他們有所懷疑，但專案內外科學家都表示，這種方法值得嘗試。它已經開闢了新的研究途徑。“我一直覺得量子資訊和量子引力之間的關係具有根本的重要性，”加州大學伯克利分校的物理學家拉斐爾·布索說，他沒有參與量子位元生萬物專案，但曾與它的一些合作者合作。“這種聯絡多年來一直在加深，我很高興看到這麼多傑出的科學家現在齊心協力，共同面對這些問題，看看它們會把我們引向何方。”斯坦福大學理論家伊娃·西爾弗斯坦沒有參與合作，她也表示贊同：“顯然值得開發量子資訊並將其應用於這些問題。但是，要理解量子引力的動力學，還需要更多，並且對於該領域來說，重要的是不要過於狹隘地關注單一方法。”

此外，即使該專案未能獲得量子引力理論的回報，它仍然可能產生有益的副產品。例如，將弦理論和廣義相對論的技術和思想應用於量子資訊問題，可以幫助更好地定義不同型別的糾纏，既可以用於理解時空，也可以用於構建量子計算機。“當你開始在一個新的環境中玩弄這些工具時，很可能會產生有趣的想法，並且可能在其他領域有用，”阿哈羅諾夫說。“看起來人們在多年來一直存在的問題上取得了進展，所以這令人興奮。”例如，科學家們發現，透過將蟲洞視為量子電路，測量蟲洞內的時間可能是可能的。

此外，將量子資訊科學與弦理論相結合，不僅可能有助於推匯出量子引力理論，還有助於評估研究人員可能發現的任何理論。任何物理理論都可以被認為是一臺計算機，其輸入和輸出類似於該理論的初始狀態和可以測量的後期狀態——而且有些計算機比其他計算機更強大。一旦研究人員推匯出一個量子引力理論，他們就可以問，該理論的計算能力是多少？“如果這種能力太大，如果我們的量子引力模型能夠計算出我們不相信可以在我們的世界中計算出的東西，那至少會給該理論打上一個問號，”阿哈羅諾夫說。“這是一種從不同角度判斷該理論是否明智的方法。”

該專案讓一些物理學家想起了過去其他偉大思想剛剛起步的激動人心的日子。“我在 1984 年成為一名研究生，當時所謂的第一次弦理論革命發生了，”加州理工學院的物理學家大栗博司說。“那是一個非常激動人心的時刻，當時弦理論成為自然界所有力的統一理論的領先候選者。我確實看到了當前圍繞它爆發的興奮感與之類似。對於該領域的年輕人以及我們這些幾十年前獲得博士學位的人來說，這顯然是一個激動人心的時刻。”