想象你逝去之后，體內(nèi)的原子四逸而開、各覓歸處，融入海洋、森林以及其他實體之中。但其實根據(jù)量子力學(xué)，所有關(guān)于你身體組成和功能的信息仍將持續(xù)下去。原子之間的關(guān)聯(lián)構(gòu)建了不可勝數(shù)的細(xì)節(jié)構(gòu)成了“你”，而這些將永遠(yuǎn)存在，盡管是以難以辨識的加擾形式——從實際角度可以說已經(jīng)丟失，可原則上是永存的。

如此確鑿的概念卻有一個明顯的例外：依據(jù)我們當(dāng)前的物理知識，信息無法保存在黑洞中。四十年前，霍金(Stephen Hawking)證明了黑洞可以徹底地以抹除信息。無論什么落入黑洞，相對宇宙的其余部分它就消失了。它在最終時刻從事件視界(黑洞的外部物理邊界)發(fā)出一股粒子風(fēng)——“霍金輻射”。黑洞通過這種方式緩慢蒸發(fā)，但是這種過程抹除了關(guān)于黑洞的信息。輻射的數(shù)據(jù)僅僅攜帶了總質(zhì)量，電荷以及所有物質(zhì)的角動量。其他的所有墜落物體的細(xì)節(jié)信息都煙消云散了。

霍金發(fā)現(xiàn)的黑洞蒸發(fā)給理論物理學(xué)家出了個難題：廣義相對論說黑洞會抹除信息;量子力學(xué)又聲稱信息永存。廣義相對論和量子力學(xué)都是經(jīng)過時間檢驗的理論，但又顯得不可融合。其中的矛盾揭示了詭異的黑洞之外更為基本的東西：信息悖論表明了物理學(xué)家仍然不明白自然的基本規(guī)律。

然而慕尼黑Ludwig-Maximilians大學(xué)物理學(xué)教授Gia Dvali認(rèn)為他找到了答案。“黑洞是量子計算機，”他說。“我們有明確的信息處理步驟。”如果他對了，悖論就解決了，信息確實永存。或許更令人吃驚的是，他提出的概念還具有實際意義。未來，我們或許可以借鑒黑洞物理來建造我們自己的量子計算機。

從黑洞中恢復(fù)信息的難點在于它們是幾乎沒有特征的球體，在視界上基本沒有物理屬性;正如美國已故物理學(xué)家惠勒所說，他們是“無毛的”。如果一個物體沒有可以用于編碼的特征就無法用來儲存信息。這其中存在錯誤，Dvali說：“所有‘無毛定理’都是錯的，”他和合作者認(rèn)為引力子——至今還未發(fā)現(xiàn)的傳播引力、構(gòu)建時空的量子——延伸于整個黑洞，形成“量子毛發(fā)”，它允許儲存和釋放信息。

這項新研究建立在量子理論的反直覺特征之上：量子效應(yīng)不只是體現(xiàn)在微觀世界。的確，量子效應(yīng)是脆弱的，在溫暖嘈雜的環(huán)境中很快就會被破壞掉，典型如地球上我們熟悉的環(huán)境。這就是我們通常觀察不到量子效應(yīng)的原因。這也是搭建量子計算機的主要挑戰(zhàn)，量子計算機使用粒子的量子態(tài)來處理信息而不是傳統(tǒng)晶體管的開關(guān)邏輯門。但是在低溫孤立的環(huán)境，量子行為可以在很長距離保持——大到足以覆蓋數(shù)十億公里的黑洞視界。

你不必去外太空一睹長程量子效應(yīng)。創(chuàng)建黑洞的量子毛發(fā)所需的巨大距離和質(zhì)量遠(yuǎn)超我們的實驗?zāi)芰?，但通過將原子冷卻到低于萬分之一開爾文溫度(絕對零度以上萬分之一度)，研究人員將近十億個原子——長達(dá)幾毫米的范圍——凝聚成單個的量子態(tài)。這對于集體量子行為來說已經(jīng)是巨大的規(guī)模了。

這種原子集合——亦即玻色-愛因斯坦凝聚(以Satyendra Bose和Albert Einstein的名字命名，BEC)——是目前建造量子計算機最可能的方案之一。常見的量子效應(yīng)，比如同時處于兩個位置，在玻色-愛因斯坦凝聚狀態(tài)下可以擴(kuò)展到整個體系，產(chǎn)生許多互相關(guān)聯(lián)的態(tài)。如果研究人員成功地制備穩(wěn)定的凝聚態(tài)并且控制，便可以獲得巨大的信息處理能力。而你恐怕沒想到，玻色-愛因斯坦凝聚還可能解決數(shù)十年來的黑洞信息丟失問題。

Dvali指出霍金的信息難題可以有一個自然的解決方案，關(guān)鍵是假設(shè)黑洞本質(zhì)上是由處于玻色-愛因斯坦凝聚的引力子組成的——就像是重力聚集的水坑。這個想法可能聽起來很瘋狂，不過在Dvali看來，是個非常合理的結(jié)論。在霍金首次提出他的謎語后多年來，物理學(xué)家們對黑洞的信息有了更多的了解。理論學(xué)家業(yè)已知道如何計算黑洞可以存儲的信息量：信息的數(shù)量通過在黑洞的熵來量化，并與視界面積成正比。他們還發(fā)現(xiàn)黑洞可以非常迅速地重組或“加擾”信息。最后，信息必須從黑洞中逃脫以免與量子力學(xué)發(fā)生沖突。

從2012年開始，Dvali探索了這些不同的屬性，并驚訝地發(fā)現(xiàn)，某些類型的玻色-愛因斯坦凝聚體與黑洞享有共同的基本性質(zhì)。為了像黑洞一樣，凝聚體需要恰好處于一個轉(zhuǎn)變點——即所謂的量子臨界點——此時正在量子行為坍縮之前，延展的漲落會穿過流體。Dvali計算出的這種量子臨界凝聚體與黑洞具有相同的熵、加擾能力和釋放時間：具有所謂的量子毛發(fā)。“你可以說這是巧合，但我認(rèn)為這是非常有力的證據(jù)——屬于數(shù)學(xué)證據(jù)——黑洞真的是玻色-愛因斯坦凝聚體”。

將黑洞與實驗室中創(chuàng)建的物質(zhì)形式聯(lián)系起來意味著可以通過實驗在某些方面探索Dvali的想法。慕尼黑馬克斯-普朗克研究所的物理學(xué)教授Immanuel Bloch有著關(guān)于玻色-愛因斯坦凝聚的第一手經(jīng)驗。他把原子聚集在“光晶格”中——通過多個交叉激光束產(chǎn)生的光學(xué)晶格——然后使用一種稱為熒光成像的技術(shù)得到凝聚體的快照。獲得的圖片優(yōu)美地展現(xiàn)了原子的關(guān)聯(lián)量子行為。

Bloch覺得Dvali的想法很有意思，盡管這個想法來自一個與他相去甚遠(yuǎn)領(lǐng)域。“我對Gia Dvali的提議感到非常興奮，這完全是個新東西。”Bloch說到，“人們已經(jīng)通過凝聚體相互作用觀察到坍縮的過程，但到目前為止還怎么研究過量子臨界點附近發(fā)生的事情。

“BEC具有宏觀量子波函數(shù)，意味著量子數(shù)會有很多漲落。這就是BEC通常看起來像瑞士奶酪的原因，”他繼續(xù)道。但是施加磁場可以改變原子相互作用的強度，誘導(dǎo)它們形成有序的格子。”原子相互作用加強，然后進(jìn)入[非常有序]“莫特態(tài)”。這是量子計算的重要狀態(tài)，你有了這樣的正規(guī)陣列，接著可以用激光操縱原子，旋轉(zhuǎn)它們并改變自旋[編碼和處理信息]。

根據(jù)Dvali的說法，黑洞物理學(xué)揭示了使用不同的量子態(tài)可能是在玻色-愛因斯坦凝聚體中存儲信息的更好方式。從這個角度來說，黑洞是物理學(xué)家所知道的最簡單、緊湊和有效的信息存儲設(shè)備。因此，使用黑洞的編碼協(xié)議可能是在基于凝聚體的量子計算機中存儲信息的最佳方法。

在實驗室中創(chuàng)建一個模擬黑洞的凝聚體并非不可能。“[在一個黑洞中]，相互作用強度會自我調(diào)整。我們可以將相互作用強度調(diào)整到凝聚態(tài)坍縮的邊緣來模擬類似的東西。越接近量子臨界點，漲落變得越來越大。這可以模擬我們需要的系統(tǒng)。人們可以通過原位觀測這些凝聚體來研究各種量子漲落和非平衡情況，且有著很高的空間分辨。”

Dvali的想法可行卻并不一定實用。“它與領(lǐng)域里的許多其他東西競爭，現(xiàn)在，我還有很多的疑慮。”Bloch還指出，高效的信息存儲固然好，但對于量子計算機來說，“信息容量暫時不是問題。”他覺得最大挑戰(zhàn)是找到一種方法來操縱Dvali提出的單個量子態(tài)——數(shù)據(jù)處理，而不是數(shù)據(jù)存儲。當(dāng)然還有其他的障礙。“我們不確定的還有很多，比如噪聲，它的穩(wěn)定性如何呢？我們不知道，”Bloch說，“對我而言，更有意思的是與引力物理學(xué)的聯(lián)系。”這背后的意義遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了信息存儲。

Dvali并不是最近唯一研究提出引力與凝聚態(tài)物質(zhì)之間存在聯(lián)系的，這已經(jīng)成為實驗研究的一個全新領(lǐng)域。按照愛因斯坦的傳統(tǒng)，物理學(xué)家一般認(rèn)為彎曲的時空是物質(zhì)及其相互作用的舞臺。但現(xiàn)在幾個獨立的研究方向表明，我們可能小看了“時空”，引力還可以出現(xiàn)在看似與之無關(guān)的物理學(xué)中。

在過去的幾十年中，引力與某些類型的流體之間的廣泛聯(lián)系已經(jīng)證明，具有集體量子行為的系統(tǒng)可以模仿彎曲的時空，得到與愛因斯坦廣義相對論相同的方程。目前，還沒有發(fā)現(xiàn)可以完全把廣義相對論推廣到凝聚態(tài)的方法，也沒有人知道它是否有可能。盡管如此，新發(fā)現(xiàn)的聯(lián)系令物理學(xué)家能夠通過原子凝聚體模擬引力系統(tǒng)。

用凝聚體模擬引力使得人們能夠探索難以達(dá)到的區(qū)域——例如黑洞視界。因此，雖然霍金輻射從未在真正的黑洞中被觀察到，但人們已經(jīng)測量了其在玻色-愛因斯坦凝聚體系中的類比信號。當(dāng)然，這些凝聚體并不是真的黑洞——它們捕獲聲波而不是光——但它們遵循相同的數(shù)學(xué)規(guī)律。這么說來，凝聚態(tài)系統(tǒng)實際上執(zhí)行了相當(dāng)復(fù)雜，甚至棘手的物理計算。

“我們會談?wù)?lsquo;量子模擬’，試著用這些系統(tǒng)來尋找在經(jīng)典計算機上難以計算的有趣現(xiàn)象，”Bloch說。“我們也試圖測試其他系統(tǒng)，比如黑洞，又比如我們在二維系統(tǒng)找到了希格斯粒子[的類比]。”在2012年的一篇自然雜志的論文中，Bloch和合作者報道他們的量子模擬顯示了類希格斯粒子也可以存在于二維系統(tǒng)。同樣的技術(shù)原則上也可以研究與黑洞類比的BEC體系。

借助黑洞物理學(xué)開發(fā)量子計算機的新協(xié)議是一回事，確認(rèn)宇宙里的黑洞是否真的是引力子的凝聚態(tài)是另一回事。“我對無法檢驗的想法沒什么興趣。”Dvali的宇宙學(xué)家同事Stefan Hofmann說道。

Hofmann投入了大量時間來探索黑洞是引力子凝聚態(tài)這一觀點的實驗觀測結(jié)果。“黑洞無毛定理已經(jīng)打破了。”他同意Dvali的觀點，黑洞視界附近的量子毛發(fā)微妙地改變廣義相對論的預(yù)測(尤其是在黑洞形成或碰撞過程中引力波的發(fā)射)，其方式應(yīng)該是可探測的。Hofmann在2015年的研討會上說，“最理想的是一個二元[黑洞]合并事件”。他的夢想成真了：LIGO團(tuán)隊宣布首次測量到一對黑洞合并發(fā)出的引力波。

Hofmann和他的合作者尚未給出定量的預(yù)測，可是由于宏觀量子效應(yīng)，Dvali提出的信息丟失問題的解決方案可能很快就會經(jīng)受實驗上的測試。然而，黑洞是引力子的量子臨界凝聚體、相當(dāng)于玻色-愛因斯坦凝聚體的想法，留下了許多問題。首先，Dvali的計算無法解釋落入黑洞的物體實際發(fā)生了什么。Hofmann也承認(rèn)，目前還不清楚這個物體是如何融入傳統(tǒng)意義上的“黑洞”，因為它無法再在熟悉的廣義相對論框架內(nèi)描述。

馬賽大學(xué)的Carlo Rovelli認(rèn)為，即使形式不完整，Davli關(guān)于黑洞的想法也是有科學(xué)意義的。“他們的近似十分激進(jìn)，可能無法抓住各個方面，但它可能在某種程度上是符合的，特別是在長波區(qū)間。對于[時空]的低頻量子漲落，這并不荒謬。”Rovelli說，然而，他提醒說，凝聚態(tài)模型“不能作為描述黑洞中的完整描述”。

最后，顯而易見的是，這項研究揭示了一種以前未被認(rèn)識到且成果豐富的關(guān)聯(lián)。“在量子信息和黑洞物理學(xué)之間有一座非常有趣的橋梁，以前沒有討論過，”Dvali說。如果他是對的，其意義是相當(dāng)驚人的。信息確實永存的，如此而言，我們都是不朽的。想想我們銀河系中心的超大黑洞，或許它是一個宇宙級量子計算機也說不定？