时空之谜

莎士比亚写道：“世界是一个舞台……”，物理学家也倾向于这样认为。空间似乎是力与场在其间活动的背景，但空间本身并不是由任何东西构成的——或者真的是这样吗？最近，科学家们开始质疑这种传统观念，并推测空间——以及根据广义相对论对其的延伸，即时空——实际上是由微小的信息块组成的。这些信息块可能相互作用以创造时空并产生其属性，例如时空中的曲率导致引力的概念。如果是这样，这个想法可能不仅可以解释时空，还可以帮助物理学家实现一个长期寻求的目标：量子引力理论，它可以融合广义相对论和量子力学，这两种伟大的宇宙理论往往格格不入。最近，这种可能性的激动人心之处吸引了数百名物理学家，他们每三个月左右在“量子比特到万物”项目的旗帜下聚会。“量子比特到万物”项目（It from Qubit）的名称由此而来。

这里的“万物”指的是时空，而量子比特（发音为“cue-bit”，来自“quantum bit”）代表最小可能的信息量——量子尺度的计算机“比特”。这个想法表明宇宙是由一些底层代码构建起来的，通过破解这个代码，物理学家最终将有一种方法来理解宇宙中大规模事件的量子本质。“量子比特到万物”（IfQ）最近一次会议于7月在安大略省的 Perimeter 理论物理研究所举行，组织者预计约有 90 名注册者。结果，他们收到了如此多的申请，不得不扩容到 200 人，并在其他大学同时举办五个卫星会议，科学家可以在那里远程参与。“我认为这是通往量子引力的最有希望的研究途径之一，如果不是最有希望的话，”普林斯顿大学的博士后研究员内塔·恩格尔哈特说，她没有正式参与“量子比特到万物”项目，但参加过它的一些会议。“它正在蓬勃发展。”

由于该项目涉及量子计算机科学以及时空和广义相对论的研究，它汇集了两组通常不倾向于合作的研究人员：一方面是量子信息科学家，另一方面是高能物理学家和弦理论家。“它将两个传统上不同的领域结合在一起：信息如何在量子事物中存储，以及信息如何在空间和时间中存储，”宾夕法尼亚大学的物理学家维杰·巴拉苏布拉曼尼安说，他是 IfQ 的首席研究员。大约一年前，西蒙斯基金会，一个支持科学和数学研究的私人组织，授予了一笔赠款，以建立“量子比特到万物”合作项目，并资助物理学家研究和举办关于该主题的会议。从那时起，兴奋感与日俱增，随后的会议吸引了越来越多的研究人员，其中一些是西蒙斯基金会资助的合作项目的正式成员，还有许多人只是对这个话题感兴趣。“这个项目正在解决非常重要的问题，但也是非常困难的问题，”IfQ 合作者、Perimeter 研究所的博士后研究员贝尼·吉田说。“合作是必要的——这不像一个人可以解决这个问题。”甚至项目以外的科学家也注意到了。“如果与量子信息论的联系被证明像某些人预期的那样成功，它很可能引发我们对空间和时间的理解的下一次革命，”哥伦比亚大学的弦理论家布莱恩·格林说，他没有参与 IfQ。“这是一件大事，非常令人兴奋。”

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纠缠时空

时空具有比特或者是由任何东西“构成”的概念，与广义相对论的传统图景有所不同。根据新的观点，时空可能不是根本的，而是可能通过这些比特的相互作用“涌现”出来。那么，这些比特究竟是由什么构成的，它们包含什么样的信息呢？科学家们不知道。然而，有趣的是，IfQ 合作者、斯坦福大学的博士后研究员布莱恩·斯温格说，“重要的不是比特本身，而是比特之间的关系”。“这些集体的关系是丰富性的来源。这里的关键不是构成要素，而是它们组织在一起的方式。”

这种组织的关键可能是被称为量子纠缠的奇怪现象——粒子之间可能存在的一种奇特的关联，其中对一个粒子执行的动作可能会影响另一个粒子，即使它们之间相隔很远。“最近一个绝对引人入胜的提议是，时空结构是由时空的底层‘原子’的量子纠缠编织而成的，”巴拉苏布拉曼尼安说。“如果这是真的，那就太棒了。”

这个量子纠缠的动画展示了在国家标准与技术研究院进行的实验中纠缠的两个离子。来源：NIST

这个想法背后的推理来自于物理学家早期的几项发现，例如 2006 年柳伸世和高柳匡发表的一篇论文，该论文展示了纠缠与时空几何之间的联系。在这些工作的基础上，2013 年，胡安·马尔达西那和伦纳德·萨斯坎德发现，如果两个黑洞变得纠缠，它们将创造一个虫洞——广义相对论预测的时空中的捷径。这项发现（昵称 ER=EPR，以物理学家对虫洞和纠缠的简写命名）和其他类似的发现令人惊讶地表明，纠缠——以前被认为不涉及物理联系——可以在时空中产生结构。

为了理解纠缠如何产生时空，物理学家首先必须更好地理解纠缠是如何工作的。自从爱因斯坦和他的合作者在 1935 年预测到这种现象以来，它一直被认为是“幽灵般的”，用爱因斯坦的话来说。最近，科学家们一直在研究可能存在的各种纠缠。例如，传统的纠缠涉及在空间中散布的多个同类型粒子中连接单个特征（例如粒子的自旋）。但是，也可以在一个位置将某种类型的多个粒子与同一位置的不同类型的粒子纠缠。“那不是空间中的纠缠，”巴拉苏布拉曼尼安说。“我已经意识到，还有其他形式的纠缠对于重建时空的项目来说是相关的——传统的纠缠是不够的。”科学家们还在解决纠缠更多数量粒子的令人困惑的复杂性问题。

一旦纠缠的动力学变得更加清晰，科学家们希望理解时空是如何涌现的，就像空气中原子的微观运动产生热力学和天气的复杂模式一样。“这是一种涌现现象——当你从某事物中放大时，你会看到一幅不同的画面，你不会知道这幅画面是由于较小的动力学而产生的，”恩格尔哈特说。“这是‘量子比特到万物’项目最令人着迷的事情之一，因为我们不理解时空从中涌现出来的基本量子动力学。”

宇宙全息图

所有这些工作的主要目标是最终实现一个从量子角度描述引力的理论。然而，追求这个目标的物理学家们已经受阻一个世纪之久——爱因斯坦本人也顽强地追求这样的理论，直到去世，但没有成功。“量子比特到万物”项目的科学家们寄希望于一个被称为 全息原理 的想法来帮助他们。

这个原理表明，一些物理理论等同于在较低维度宇宙中工作的更简单的理论，就像一张带有独角兽全息图的 2D 明信片可以包含描述和描绘独角兽 3D 形状所需的所有信息一样。由于找到一个可行的量子引力理论非常困难，因此，物理学家们的目标可能是发现一个等效的、更易于使用的理论，该理论在维度比我们宇宙少的宇宙中运行。

全息原理最成功的体现之一是马尔达西那在 1997 年在弦理论框架内发现的 AdS/CFT 对偶性。弦理论本身就是对量子引力理论的一种尝试，它用微小的振动弦取代了自然界的所有基本粒子。在 AdS/CFT 对偶性中，马尔达西那表明，人们可以完全通过描述黑洞表面发生的事情来描述黑洞。换句话说，内部——3D“体”——的物理学与外部——2D“边界”——的物理学完美对应。

AdS/CFT 可能允许物理学家发现一个等同于量子引力的理论，完成所有相同的目标，并且可以描述所有相同的物理学，但更易于使用——完全忽略引力。“具有引力的理论很难获得量子描述，而没有引力的理论则更容易完全描述，”巴拉苏布拉曼尼安说。但是，有人可能会问，一个忽略引力的理论怎么可能成为“量子引力”理论呢？也许我们认为的引力和时空只是看待纠缠最终结果的另一种方式——换句话说，纠缠可能以某种方式将来自 3D 体的信息编码到存储在 2D 边界上的比特中。“这是一个非常令人兴奋的方向，”他补充道。

在过去的 20 年里，科学家们发现 AdS/CFT 对偶性是有效的——一个 2D 理论可以描述一个 3D 情况——但他们并不完全理解为什么。“我们知道这两个理论是对偶的，但目前尚不清楚是什么使对偶性起作用，”斯温格说。“[IfQ] 您可以期望的一个成果是对这些对偶性如何产生的理论。我认为这绝对可以并且将会作为这次合作的结果，或者至少是朝着这个方向取得重大进展。”

量子信息论可能能够提供帮助，因为事实证明，来自该领域的一个熟悉的概念，量子纠错码，可能在 AdS/CFT 对偶性中发挥作用。在量子计算机中，量子纠错码是科学家设计的一种方法，用于帮助保护信息免受丢失，如果任何特定比特之间的纠缠被破坏。量子计算机不使用单个比特来编码信息，而是使用多个比特的高度纠缠态来代表每个比特，因此单个错误不会影响整体比特。“似乎存在一个底层的数学结构，量子纠错码和 AdS/CFT 都有共同之处，”耶路撒冷希伯来大学的 IfQ 首席研究员、量子信息科学家多丽特·阿哈罗诺夫说。在计算机中，这种冗余被用于纠正错误，但在 AdS/CFT 中，它可能能够将体积物理学编码到边界上的纠缠态中。“在黑洞内部发现量子纠错码非常有趣，”她说。“为什么会发生这种情况？这些联系真是令人着迷。”

如果物理学家最终确实理解了 AdS/CFT 对偶性是如何工作的——并提出了一个可以代表量子引力的低维理论——他们仍然没有获得最终的胜利。对偶性本身只在一个“玩具模型”的宇宙中起作用，这个宇宙相对于我们居住的完全实现的宇宙而言是有些简化的。“AdS/CFT 有一种引力，但它不是我们生活在其中的膨胀宇宙中的引力理论，”斯温格说。“它描述了一个宇宙，就好像它在一个瓶子里一样——如果你照射一束光，它会从空间的墙壁上反弹。这在我们膨胀的宇宙中不会发生。”这个模型为物理学家提供了一个有用的理论游乐场，可以在其中测试他们的想法，简化的图景使得解决量子引力变得更容易。“您可以希望它是在最终理解我们自己宇宙中的引力的过程中一个有用的中转站，”斯温格解释说。

一些怀疑论者质疑，如果 IfQ 是基于不现实的基础之上，它能有多大的成果。“这当然是一个非常有效的批评：我们为什么要专注于这个玩具模型？”恩格尔哈特说。“所有这些都取决于玩具模型的有效性，以及玩具模型最终代表我们宇宙的想法。我想确保如果我们理解了玩具模型，我们就理解了真实情况。”

回报

无论“量子比特到万物”项目最终是否会实现统一理论的圣杯，项目内外科学家都表示，这种方法值得尝试，并且已经开辟了许多新的研究途径。“我一直觉得量子信息和量子引力之间的关系具有根本的重要性，”加州大学伯克利分校的物理学家拉斐尔·布索说，他没有参与 IfQ，但曾与它的一些合作者合作。“这种联系多年来不断加深，我很高兴看到如此多杰出的科学家现在共同努力，共同面对这些问题，看看它们将把我们引向何方。”斯坦福大学理论家伊娃·西尔弗斯坦没有参与合作，她也表示赞同。“显然，将量子信息应用于这些问题是值得的。但是，要理解[量子引力]的动力学，还需要更多，并且对于该领域来说，不要过于狭隘地关注单一方法非常重要。”

此外，即使该项目没有在量子引力理论方面取得成果，它仍然可能产生有益的衍生效应。例如，将弦理论和广义相对论的技术和思想应用于量子信息问题，可以帮助更好地定义可能存在的不同类型的纠缠，既可以用于理解时空，也可以用于构建量子计算机。“当你开始在一个新的环境中玩弄这些工具时，很可能会产生有趣的想法，并且可能在其他领域有用，”阿哈罗诺夫说。“看起来人们在多年前就已经存在的问题上取得了进展，所以这令人兴奋。”例如，科学家们发现，通过将虫洞视为量子电路，测量虫洞内的时间可能是可能的。

此外，将量子信息科学与弦理论相结合可能不仅有助于推导出量子引力理论，还有助于评估研究人员发现的任何理论。“一旦我们真正设法提出一个足够详细的量子引力物理理论，我们就会问一个关键问题——这个模型的计算能力是什么？”阿哈罗诺夫说。任何物理理论都可以被认为是一个计算模型，它的输入和输出类似于理论的初始状态和可以测量的后期状态——任何计算模型都具有计算能力。“如果这种能力太大，如果我们的量子引力模型能够计算出我们认为在我们的世界中无法计算的东西，那至少会在该理论上打上一个问号。这是一种从不同角度判断该理论是否合理的方法。”

该项目让一些物理学家想起了过去其他伟大思想刚刚起步的激动人心的日子。“我于 1984 年成为研究生，当时所谓的‘第一次弦理论革命’发生了，”加州理工学院的物理学家大栗博司说，他一直在研究 IfQ。“那是一个非常激动人心的时刻，弦理论成为自然界所有力的统一理论的主要候选者。我确实看到了目前围绕这一领域的爆炸性兴奋与之类似。对于该领域的年轻人以及我们这些几十年前获得博士学位的人来说，这显然是一个激动人心的时刻。”