斯坦福大學(xué)物理學(xué)教授Patrick Hayden和Robert Myers教授（引力物理研究方面的大家）描述了對(duì)量子位（量子位）的研究，即量子位信息，如何成為將量子理論和廣義相對(duì)論相結(jié)合的量子引力統(tǒng)一理論的關(guān)鍵。

1990年，杰出的理論物理學(xué)家約翰·惠勒創(chuàng)造了“它從位開(kāi)始”一詞，以概括他在過(guò)去20年里發(fā)展的對(duì)宇宙的激進(jìn)新觀點(diǎn)：

“它從一點(diǎn)上象征著這樣一種想法，即物理世界的每件物品都有一個(gè)......一個(gè)非物質(zhì)的來(lái)源和解釋?zhuān)晃覀兎Q(chēng)之為現(xiàn)實(shí)的歸根結(jié)底，它來(lái)自提出是或否的問(wèn)題和設(shè)備誘發(fā)的回答的登記；簡(jiǎn)而言之，所有物理事物的起源都是信息理論?！?/p>

換句話(huà)說(shuō)，惠勒提出的是，在最基本的層面上，所有物理學(xué)都有可以用信息來(lái)表達(dá)的描述。雖然惠勒的科學(xué)生涯從20世紀(jì)30年代與尼爾斯·玻爾在核裂變方面的早期工作到量子電動(dòng)力學(xué)、廣義相對(duì)論和量子力學(xué)的基礎(chǔ)，但這種激進(jìn)的想法在當(dāng)時(shí)幾乎沒(méi)有得到支持。然而，事后看來(lái)，我們現(xiàn)在可以看到它真的很有遠(yuǎn)見(jiàn)。

快進(jìn)了四分之一個(gè)世紀(jì)，惠勒想法的現(xiàn)代化版本現(xiàn)在正在形成。量子信息科學(xué)旨在根據(jù)量子理論原理開(kāi)發(fā)新的超快計(jì)算機(jī)，它正在與研究基本亞原子粒子和自然界基本力的高能理論形成令人興奮的融合。

一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)是，自惠勒最初工作以來(lái)，我們對(duì)量子力學(xué)信息的理解取得了巨大的進(jìn)步。雖然惠勒強(qiáng)調(diào)位，但似乎本質(zhì)上的量子力學(xué)形式的信息——現(xiàn)在被稱(chēng)為“量子比特”——似乎更基本。

近年來(lái)，越來(lái)越多的理論家一直在探索這些奇怪的量子信息是否能夠成為將量子理論和廣義相對(duì)論相結(jié)合的量子引力理論的答案。

我是斜杠青年，一個(gè)被前沿科學(xué)耽誤掙錢(qián)的“雜食性”學(xué)者！

語(yǔ)言問(wèn)題

盡管有這種令人興奮的融合，但高能物理學(xué)和量子信息理論仍然是不同的學(xué)科和社區(qū)。兩者都是成熟的領(lǐng)域，已經(jīng)成長(zhǎng)和發(fā)展，以研究自己的問(wèn)題。

然而，跨學(xué)科合作的一個(gè)主要挑戰(zhàn)是，隨著知識(shí)的構(gòu)建，編碼該知識(shí)的語(yǔ)言也是如此。專(zhuān)業(yè)化用自己的方言和工具創(chuàng)建社區(qū)。因此，當(dāng)物理學(xué)家從他們的專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域進(jìn)入另一個(gè)專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域時(shí)，他們很容易迷失在一系列不熟悉的術(shù)語(yǔ)和描述中，甚至在努力研究新的物理原理和現(xiàn)象之前。

2015年8月，在總部位于紐約市的西蒙斯基金會(huì)的支持下，成立了“It from Qubit”合作，以建立新的橋梁，促進(jìn)兩個(gè)研究界之間的溝通與合作。他們選擇這個(gè)名字既是為了向惠勒致敬，也是為了用“量子比特”取代“比特”，以強(qiáng)調(diào)全新想法和技術(shù)的關(guān)鍵作用。

該合作由來(lái)自美國(guó)、加拿大、英國(guó)、日本、以色列和阿根廷的17名高級(jí)研究人員以及一支不斷壯大的博士后研究員團(tuán)隊(duì)組成，試圖回答一系列雄心勃勃的問(wèn)題。

時(shí)空是否由量子糾纏結(jié)合在一起？

量子引力是否允許比量子計(jì)算機(jī)更強(qiáng)大的信息處理？

計(jì)算復(fù)雜性和最小作用原理之間是否有聯(lián)系？

清單還在繼續(xù)，但合作的目標(biāo)不僅僅是在這些具體問(wèn)題上取得進(jìn)展。也許更重要的是，它旨在激勵(lì)、吸引和培訓(xùn)更廣泛的科學(xué)家社區(qū)，在量子信息和高能物理學(xué)的界面上工作。

掃描新視野

從Qubit合作中追溯到1972年，發(fā)現(xiàn)了作為It關(guān)鍵重點(diǎn)的新信息視角的第一個(gè)跡象。當(dāng)時(shí)，惠勒的研究生雅各布·貝肯斯坦使用各種思想實(shí)驗(yàn)來(lái)論證，在黑洞中，事件視界的區(qū)域A——?jiǎng)澐謨?nèi)部和外部的“不返回”表面——應(yīng)該等于其熵S，其通常的解釋純粹是統(tǒng)計(jì)學(xué)的。

這個(gè)建議暗示了黑洞的一些看不見(jiàn)的微觀結(jié)構(gòu)，因此違背了當(dāng)時(shí)的常識(shí)，即黑洞只是解決阿爾伯特·愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論方程的優(yōu)雅經(jīng)典幾何。

Bekenstein（以色列裔漂亮國(guó)理論物理學(xué)家）的想法最初遭到強(qiáng)烈反對(duì)，但就在幾年后，Hawking（霍金）證明量子力學(xué)定律要求黑洞在有限溫度下像黑體一樣輻射，并且確實(shí)像普通熱系統(tǒng)一樣具有熵，這一點(diǎn)得到了證明。

Bekenstein-Hawking公式S = A/4G（其中G是引力常數(shù)）現(xiàn)在被廣泛認(rèn)為是基礎(chǔ)物理學(xué)中最顯著的發(fā)現(xiàn)之一。

事后看來(lái)，我們還可以看到，這個(gè)優(yōu)雅的公式是信息與時(shí)空結(jié)構(gòu)之間聯(lián)系的第一個(gè)暗示，因?yàn)樗幋a了關(guān)于構(gòu)成時(shí)空本身幾何黑洞的統(tǒng)計(jì)-機(jī)械微態(tài)的信息。

然而，一個(gè)大謎題顯然不匹配。在標(biāo)準(zhǔn)熱系統(tǒng)中，熵與體積成正比，但黑洞的熵僅與其面積成正比。這是使貝肯斯坦-哈金熵如此不尋常的一個(gè)特征。此外，如果考慮到重力，這種熵與面積的奇怪比例也感染了普通物質(zhì)。也就是說(shuō)，試圖將太多的物質(zhì)，從而將熵放入給定體積中，會(huì)導(dǎo)致引力坍縮和黑洞的產(chǎn)生，黑洞的熵再次僅與其面積成正比。因此，可以打包到給定空間區(qū)域的熵，從而可以包含的信息，與該地區(qū)的面積成正比，而不是其體積。

1984年，拉斐爾·索金在研究量子場(chǎng)論中的量子相關(guān)性時(shí)，在這個(gè)謎題上取得了進(jìn)展。他發(fā)現(xiàn)，熵提供了不同地區(qū)自由度相關(guān)性的衡量標(biāo)準(zhǔn)，事實(shí)上，最大的貢獻(xiàn)與兩個(gè)區(qū)域之間的邊界面積成正比，這一結(jié)果非常讓人想起貝肯斯坦-霍金熵。隨著現(xiàn)代的發(fā)展，我們可以認(rèn)識(shí)到Sorkin的計(jì)算是評(píng)估量子信息界稱(chēng)為“糾纏熵”的數(shù)量。這個(gè)概念已成為討論黑洞量子物理學(xué)的核心。

全息預(yù)兆

Bekenstein-Hawking公式激勵(lì)了Gerard't Hooft和Leonard Susskind等其他先驅(qū)者開(kāi)始倡導(dǎo)量子引力的“全息”表述。與常規(guī)光學(xué)全息圖一樣，這是一個(gè)想法，即3D卷中的信息可以在2D表面上編碼。

1997年，胡安·馬爾達(dá)塞納（Juan Maldacena）在兩種物理理論之間發(fā)現(xiàn)了這種全息原理的實(shí)現(xiàn)：一種稱(chēng)為反德西特空間（AdS）的特殊時(shí)空量子引力；以及一種稱(chēng)為共形場(chǎng)論（CFT）的特殊量子場(chǎng)論，在一個(gè)更少的空間維度上。

事實(shí)上，Maldacena的“AdS/CFT對(duì)應(yīng)”假設(shè)這兩種理論對(duì)相同的物理現(xiàn)象提供了兩種不同的描述。AdS是一種特殊的時(shí)空幾何形狀，可以站在中間，在“邊界”處發(fā)光。盡管邊界離無(wú)限遠(yuǎn)，但光束也會(huì)在有限的時(shí)間內(nèi)反射和返回。在AdS/CFT對(duì)應(yīng)關(guān)系中，CFT可以被認(rèn)為是在邊界上定義的，而量子重力理論則存在于內(nèi)部，這通常被稱(chēng)為“散裝”。

盡管乍一看，這種對(duì)應(yīng)關(guān)系可能看起來(lái)很奇怪，但這個(gè)想法在近20年來(lái)一直經(jīng)受住了數(shù)千名理論物理學(xué)家的審查。近年來(lái)，這種全息二元性已成為研究高能物理學(xué)和量子信息新融合的中心舞臺(tái)。

有趣的是，Bekenstein-Hawking公式的通用版本在2006年與濃縮物質(zhì)理論家Shinsei Ryu和弦理論家Tadashi Takayanagi的合作中再次出現(xiàn)。他們提出，計(jì)算邊界CFT中的糾纏熵可以轉(zhuǎn)化為在散裝AdS時(shí)空的某些特殊表面上評(píng)估A/4G的引力問(wèn)題。對(duì)于邊界理論中的給定區(qū)域，他們的處方本質(zhì)上是想象讓引力將區(qū)域拉入塊狀幾何形狀，同時(shí)將其邊緣固定在邊界區(qū)域上。由此產(chǎn)生的表面應(yīng)像肥皂泡固定在線(xiàn)框內(nèi)一樣最小化其面積。將產(chǎn)生的氣泡區(qū)域插入公式A/4G，然后產(chǎn)生邊界CFT中該區(qū)域的糾纏熵。

當(dāng)時(shí)，這個(gè)挑釁性的想法看起來(lái)像一只從魔術(shù)師帽子上拔下來(lái)的兔子。然而，隨著時(shí)間的推移，Ryu和Takayanagi的幾何處方通過(guò)了對(duì)其量子信息理論性質(zhì)的日益嚴(yán)格的測(cè)試?，F(xiàn)在，我們甚至可以從仔細(xì)將邊界理論中的計(jì)算轉(zhuǎn)化為體積來(lái)推導(dǎo)出他們的公式，仔細(xì)研究這一顯著結(jié)果產(chǎn)生了各種新的見(jiàn)解。

特別是，Ryu-Takayanagi公式促使Mark van Raamsdonk、Brian Swingle和其他人開(kāi)始發(fā)展這樣一種觀點(diǎn)，即糾纏是時(shí)空本身出現(xiàn)的關(guān)鍵。

在量子力學(xué)中，不同粒子之間的糾纏將它們連接成一個(gè)從根本上超過(guò)其部分之和的整體。Van Raamsdonk和Swingle推測(cè)，邊界CFT中存在的大量糾纏有效地將體積量子重力理論的微觀自由度拼接在一起，以產(chǎn)生AdS時(shí)空幾何，這確實(shí)與邊界部分的總和非常不同。這些最初模糊的猜測(cè)很快就讓位于更準(zhǔn)確的陳述。

最近，van Raamsdonk和他的合作者甚至設(shè)法證明，散裝廣義相對(duì)論的場(chǎng)方程來(lái)自邊界理論中的糾纏結(jié)構(gòu)。

雖然糾纏熵仍然是量子信息和量子引力研究的最前沿，但越來(lái)越多的其他概念，包括雷尼熵、相對(duì)熵、量子誤差校正和電路復(fù)雜性，都在本次討論中找到一席之地。

思想的集合

去年7月，加拿大周邊理論物理研究所（PI）主辦了It from Qubit合作的開(kāi)場(chǎng)策略，試圖揭開(kāi)領(lǐng)域之間的一些分歧。由于研究所的首要任務(wù)之一是提高自己對(duì)兩種語(yǔ)言的流利程度，研究所決定將這次會(huì)議作為研討會(huì)和暑期學(xué)校的結(jié)合來(lái)組織。

對(duì)暑期學(xué)校的興趣遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了他們的預(yù)期。在將原計(jì)劃的注冊(cè)人數(shù)翻了一番并填滿(mǎn)PI后，研究所仍然不得不拒絕200多名申請(qǐng)人。最后，來(lái)自世界各地的180名研究人員聚集在PI上。許多因空間限制而無(wú)法參加身體的學(xué)生和博士后通過(guò)講座和研討會(huì)的現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)直播虛擬參加。

與會(huì)者代表了廣泛的領(lǐng)域，包括量子引力、粒子理論、凝聚態(tài)物理學(xué)、量子理論的基礎(chǔ)、量子信息和計(jì)算機(jī)科學(xué)。他們還代表了廣泛的經(jīng)驗(yàn)，從研究生到高級(jí)教授。但每個(gè)人都有一個(gè)共同點(diǎn)：他們是來(lái)學(xué)習(xí)的。

為了適應(yīng)學(xué)生和專(zhuān)家的廣泛背景，研究生從一開(kāi)始就知道，這次會(huì)議需要與標(biāo)準(zhǔn)會(huì)議或暑期學(xué)校大不相同。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的討論，研究所想出了一個(gè)提供廣泛活動(dòng)的計(jì)劃，從入門(mén)講座到尖端研究研討會(huì)。通常有兩到三個(gè)活動(dòng)并行進(jìn)行，因此由每個(gè)“學(xué)生”決定如何以自己的水平參與并充分利用會(huì)議。在解決問(wèn)題的課程中，初級(jí)研究生可能會(huì)發(fā)現(xiàn)自己與世界領(lǐng)先的研究人員一起工作，他們都潛入陌生的水域。涉及高級(jí)研究人員和學(xué)生的動(dòng)畫(huà)對(duì)話(huà)涵蓋了從午餐時(shí)上午講座的基本概念，到在PI的反思池前討論人們最新研究想法的黑板。

整個(gè)兩周的會(huì)議都激發(fā)了非凡的熱情和精力。對(duì)于研究所作為組織者來(lái)說(shuō)，兩周過(guò)得有點(diǎn)模糊，但某些時(shí)刻脫穎而出：在愉快的書(shū)呆子尋寶游戲中了解PI（及其臨時(shí)占用者）的每個(gè)角落和縫隙，觀看研究所同事美麗的介紹性講座，這些講座最終解決了他們對(duì)彼此領(lǐng)域的一些最令人震驚的困惑，以及一些令人興奮的研討會(huì)，例如博士后丹尼爾·哈洛在AdS/CFT上作為量子糾錯(cuò)代碼的研討會(huì)。

It from Qubit合作的目標(biāo)之一是培訓(xùn)新一代研究人員，使其精通量子信息科學(xué)和基礎(chǔ)物理學(xué)，因?yàn)檫@是真正進(jìn)步的來(lái)源。毫無(wú)疑問(wèn)，它們代表了該領(lǐng)域的未來(lái)。在會(huì)議上，美國(guó)馬里蘭大學(xué)量子引力專(zhuān)家泰德·雅各布森觀察到，該領(lǐng)域的大部分進(jìn)展已經(jīng)由年輕研究人員推動(dòng)。

在翻譯中找到

時(shí)空是從糾纏中構(gòu)建的嗎？

黑洞是自然界最強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)嗎？

我們還不知道，但無(wú)論如何，看到最初出于完全不同原因制定的想法具有共鳴和效用，這真的很令人興奮；在翻譯中發(fā)現(xiàn)了大量新想法。它為我們提供了對(duì)自己領(lǐng)域的新視角。我們認(rèn)為例行公事和無(wú)趣的事情被揭示得更深刻，而我們認(rèn)為至關(guān)重要的事情則略微地退到了背景中。例如，對(duì)于信息理論家來(lái)說(shuō)，沒(méi)有什么比添加噪音會(huì)影響可區(qū)分性更常規(guī)的了。但在翻譯中，這個(gè)常規(guī)事實(shí)成為量子力學(xué)中可能產(chǎn)生的時(shí)空的能量約束。例行公事變得深刻。翻譯過(guò)程仍處于起步階段，但不斷壯大的雙語(yǔ)研究人員群體正在迅速加快進(jìn)步的步伐。

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