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解码量子地平线

2022-12-05 01:57 作者:黄先生斜杠青年  | 我要投稿

斯坦福大学物理学教授Patrick Hayden和Robert Myers教授(引力物理研究方面的大家)描述了对量子位(量子位)的研究,即量子位信息,如何成为将量子理论和广义相对论相结合的量子引力统一理论的关键。

科学反思:Qubit暑期学校的It参与者讨论了周边研究所反思池的理论。来源:维基共享



1990年,杰出的理论物理学家约翰·惠勒创造了“它从位开始”一词,以概括他在过去20年里发展的对宇宙的激进新观点:

“它从一点上象征着这样一种想法,即物理世界的每件物品都有一个......一个非物质的来源和解释;我们称之为现实的归根结底,它来自提出是或否的问题和设备诱发的回答的登记;简而言之,所有物理事物的起源都是信息理论。”

换句话说,惠勒提出的是,在最基本的层面上,所有物理学都有可以用信息来表达的描述。虽然惠勒的科学生涯从20世纪30年代与尼尔斯·玻尔在核裂变方面的早期工作到量子电动力学、广义相对论和量子力学的基础,但这种激进的想法在当时几乎没有得到支持。然而,事后看来,我们现在可以看到它真的很有远见。

快进了四分之一个世纪,惠勒想法的现代化版本现在正在形成。量子信息科学旨在根据量子理论原理开发新的超快计算机,它正在与研究基本亚原子粒子和自然界基本力的高能理论形成令人兴奋的融合。

一个转折点是,自惠勒最初工作以来,我们对量子力学信息的理解取得了巨大的进步。虽然惠勒强调位,但似乎本质上的量子力学形式的信息——现在被称为“量子比特”——似乎更基本。

近年来,越来越多的理论家一直在探索这些奇怪的量子信息是否能够成为将量子理论和广义相对论相结合的量子引力理论的答案。

我是斜杠青年,一个被前沿科学耽误挣钱的“杂食性”学者!

语言问题


尽管有这种令人兴奋的融合,但高能物理学和量子信息理论仍然是不同的学科和社区。两者都是成熟的领域,已经成长和发展,以研究自己的问题。

然而,跨学科合作的一个主要挑战是,随着知识的构建,编码该知识的语言也是如此。专业化用自己的方言和工具创建社区。因此,当物理学家从他们的专业领域进入另一个专业领域时,他们很容易迷失在一系列不熟悉的术语和描述中,甚至在努力研究新的物理原理和现象之前。

2015年8月,在总部位于纽约市的西蒙斯基金会的支持下,成立了“It from Qubit”合作,以建立新的桥梁,促进两个研究界之间的沟通与合作。他们选择这个名字既是为了向惠勒致敬,也是为了用“量子比特”取代“比特”,以强调全新想法和技术的关键作用。

该合作由来自美国、加拿大、英国、日本、以色列和阿根廷的17名高级研究人员以及一支不断壮大的博士后研究员团队组成,试图回答一系列雄心勃勃的问题。

时空是否由量子纠缠结合在一起?

量子引力是否允许比量子计算机更强大的信息处理?

计算复杂性和最小作用原理之间是否有联系?

清单还在继续,但合作的目标不仅仅是在这些具体问题上取得进展。也许更重要的是,它旨在激励、吸引和培训更广泛的科学家社区,在量子信息和高能物理学的界面上工作。

扫描新视野


从Qubit合作中追溯到1972年,发现了作为It关键重点的新信息视角的第一个迹象。当时,惠勒的研究生雅各布·贝肯斯坦使用各种思想实验来论证,在黑洞中,事件视界的区域A——划分内部和外部的“不返回”表面——应该等于其熵S,其通常的解释纯粹是统计学的。

这个建议暗示了黑洞的一些看不见的微观结构,因此违背了当时的常识,即黑洞只是解决阿尔伯特·爱因斯坦广义相对论方程的优雅经典几何。

Bekenstein(以色列裔漂亮国理论物理学家)的想法最初遭到强烈反对,但就在几年后,Hawking(霍金)证明量子力学定律要求黑洞在有限温度下像黑体一样辐射,并且确实像普通热系统一样具有熵,这一点得到了证明。

Bekenstein-Hawking公式S = A/4G(其中G是引力常数)现在被广泛认为是基础物理学中最显著的发现之一。

事后看来,我们还可以看到,这个优雅的公式是信息与时空结构之间联系的第一个暗示,因为它编码了关于构成时空本身几何黑洞的统计-机械微态的信息。

在周边理论物理研究所的It from Qubit暑期学校,参与者努力学习彼此专业领域的基础知识。来源:维基共享



然而,一个大谜题显然不匹配。在标准热系统中,熵与体积成正比,但黑洞的熵仅与其面积成正比。这是使贝肯斯坦-哈金熵如此不寻常的一个特征。此外,如果考虑到重力,这种熵与面积的奇怪比例也感染了普通物质。也就是说,试图将太多的物质,从而将熵放入给定体积中,会导致引力坍缩和黑洞的产生,黑洞的熵再次仅与其面积成正比。因此,可以打包到给定空间区域的熵,从而可以包含的信息,与该地区的面积成正比,而不是其体积。

1984年,拉斐尔·索金在研究量子场论中的量子相关性时,在这个谜题上取得了进展。他发现,熵提供了不同地区自由度相关性的衡量标准,事实上,最大的贡献与两个区域之间的边界面积成正比,这一结果非常让人想起贝肯斯坦-霍金熵。随着现代的发展,我们可以认识到Sorkin的计算是评估量子信息界称为“纠缠熵”的数量。这个概念已成为讨论黑洞量子物理学的核心。

全息预兆


Bekenstein-Hawking公式激励了Gerard't Hooft和Leonard Susskind等其他先驱者开始倡导量子引力的“全息”表述。与常规光学全息图一样,这是一个想法,即3D卷中的信息可以在2D表面上编码。

1997年,胡安·马尔达塞纳(Juan Maldacena)在两种物理理论之间发现了这种全息原理的实现:一种称为反德西特空间(AdS)的特殊时空量子引力;以及一种称为共形场论(CFT)的特殊量子场论,在一个更少的空间维度上。

事实上,Maldacena的“AdS/CFT对应”假设这两种理论对相同的物理现象提供了两种不同的描述。AdS是一种特殊的时空几何形状,可以站在中间,在“边界”处发光。尽管边界离无限远,但光束也会在有限的时间内反射和返回。在AdS/CFT对应关系中,CFT可以被认为是在边界上定义的,而量子重力理论则存在于内部,这通常被称为“散装”。

尽管乍一看,这种对应关系可能看起来很奇怪,但这个想法在近20年来一直经受住了数千名理论物理学家的审查。近年来,这种全息二元性已成为研究高能物理学和量子信息新融合的中心舞台。

有趣的是,Bekenstein-Hawking公式的通用版本在2006年与浓缩物质理论家Shinsei Ryu和弦理论家Tadashi Takayanagi的合作中再次出现。他们提出,计算边界CFT中的纠缠熵可以转化为在散装AdS时空的某些特殊表面上评估A/4G的引力问题。对于边界理论中的给定区域,他们的处方本质上是想象让引力将区域拉入块状几何形状,同时将其边缘固定在边界区域上。由此产生的表面应像肥皂泡固定在线框内一样最小化其面积。将产生的气泡区域插入公式A/4G,然后产生边界CFT中该区域的纠缠熵。

当时,这个挑衅性的想法看起来像一只从魔术师帽子上拔下来的兔子。然而,随着时间的推移,Ryu和Takayanagi的几何处方通过了对其量子信息理论性质的日益严格的测试。现在,我们甚至可以从仔细将边界理论中的计算转化为体积来推导出他们的公式,仔细研究这一显著结果产生了各种新的见解。

特别是,Ryu-Takayanagi公式促使Mark van Raamsdonk、Brian Swingle和其他人开始发展这样一种观点,即纠缠是时空本身出现的关键。

在量子力学中,不同粒子之间的纠缠将它们连接成一个从根本上超过其部分之和的整体。Van Raamsdonk和Swingle推测,边界CFT中存在的大量纠缠有效地将体积量子重力理论的微观自由度拼接在一起,以产生AdS时空几何,这确实与边界部分的总和非常不同。这些最初模糊的猜测很快就让位于更准确的陈述。

最近,van Raamsdonk和他的合作者甚至设法证明,散装广义相对论的场方程来自边界理论中的纠缠结构。

虽然纠缠熵仍然是量子信息和量子引力研究的最前沿,但越来越多的其他概念,包括雷尼熵、相对熵、量子误差校正和电路复杂性,都在本次讨论中找到一席之地。

思想的集合

去年7月,加拿大周边理论物理研究所(PI)主办了It from Qubit合作的开场策略,试图揭开领域之间的一些分歧。由于研究所的首要任务之一是提高自己对两种语言的流利程度,研究所决定将这次会议作为研讨会和暑期学校的结合来组织。

对暑期学校的兴趣远远超出了他们的预期。在将原计划的注册人数翻了一番并填满PI后,研究所仍然不得不拒绝200多名申请人。最后,来自世界各地的180名研究人员聚集在PI上。许多因空间限制而无法参加身体的学生和博士后通过讲座和研讨会的现场网络直播虚拟参加。

与会者代表了广泛的领域,包括量子引力、粒子理论、凝聚态物理学、量子理论的基础、量子信息和计算机科学。他们还代表了广泛的经验,从研究生到高级教授。但每个人都有一个共同点:他们是来学习的。

为了适应学生和专家的广泛背景,研究生从一开始就知道,这次会议需要与标准会议或暑期学校大不相同。经过长时间的讨论,研究所想出了一个提供广泛活动的计划,从入门讲座到尖端研究研讨会。通常有两到三个活动并行进行,因此由每个“学生”决定如何以自己的水平参与并充分利用会议。在解决问题的课程中,初级研究生可能会发现自己与世界领先的研究人员一起工作,他们都潜入陌生的水域。涉及高级研究人员和学生的动画对话涵盖了从午餐时上午讲座的基本概念,到在PI的反思池前讨论人们最新研究想法的黑板。

整个两周的会议都激发了非凡的热情和精力。对于研究所作为组织者来说,两周过得有点模糊,但某些时刻脱颖而出:在愉快的书呆子寻宝游戏中了解PI(及其临时占用者)的每个角落和缝隙,观看研究所同事美丽的介绍性讲座,这些讲座最终解决了他们对彼此领域的一些最令人震惊的困惑,以及一些令人兴奋的研讨会,例如博士后丹尼尔·哈洛在AdS/CFT上作为量子纠错代码的研讨会。

It from Qubit合作的目标之一是培训新一代研究人员,使其精通量子信息科学和基础物理学,因为这是真正进步的来源。毫无疑问,它们代表了该领域的未来。在会议上,美国马里兰大学量子引力专家泰德·雅各布森观察到,该领域的大部分进展已经由年轻研究人员推动。

在翻译中找到


时空是从纠缠中构建的吗?

黑洞是自然界最强大的计算机吗?

我们还不知道,但无论如何,看到最初出于完全不同原因制定的想法具有共鸣和效用,这真的很令人兴奋;在翻译中发现了大量新想法。它为我们提供了对自己领域的新视角。我们认为例行公事和无趣的事情被揭示得更深刻,而我们认为至关重要的事情则略微地退到了背景中。例如,对于信息理论家来说,没有什么比添加噪音会影响可区分性更常规的了。但在翻译中,这个常规事实成为量子力学中可能产生的时空的能量约束。例行公事变得深刻。翻译过程仍处于起步阶段,但不断壮大的双语研究人员群体正在迅速加快进步的步伐。

Qubit暑期学校It讲座的视频录音,以及问题集和解决方案,可以在网上找到


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