爱丽丝虫洞奇遇记

如果刘易斯·卡罗尔还在世的话，或许他的新书或许会叫做《爱丽丝虫洞奇遇记》。作为一名数学家、且充满奇思妙想的他，肯定会密切关注着关于黑洞、虫洞、量子纠缠的最新进展，因为这些概念的奇异程度丝毫不逊于他曾经笔下的世界。而刚发表在arXiv上的一篇论文中[1]，更是令人惊喜的把这些概念联系在了一起。

这篇新论文的背后思想是建立在一个非常简洁优美的公式之上，那就是 ER = EPR。也许你会你认为这个公式的成立要求P=1，但事实并非如此，因为这三个字母分别代表了三位物理学家：爱因斯坦（Einstein）、罗森（Rosen）和波多尔斯基（Podolsky）。卡罗尔无疑会被这一迷人的公式所吸引，而这三个人也会成为卡罗尔的新书中的关键人物。

这个公式最迷人的地方在于，它将当代物理学的两大基石——广义相对论和量子力学——联系了起来。其中，ER 代表了虫洞（又被称为爱因斯坦-罗森桥），如果虫洞存在，那么它就可以连接两个相距甚远的时空区域，创造一条时空隧道。近年来，有一些物理学家认为这种时空隧道或许能够连接两个黑洞。

通过黑洞之间的虫洞旅行虽然在物理上或经济上都是不可行的，但却是可以想象的，而起到关键作用的便是量子纠缠：两个纠缠的粒子，无论相距多么遥远，只要知道了其中一个粒子的状态，就能够瞬间知道另一个粒子的状态。公式右边的 EPR 代表的便是量子纠缠。粒子之间的纠缠是难以理解的，为了解释这种鬼魅般的联系，一些理论提出纠缠的粒子或许是由虫洞连接在一起的。

在这篇新论文中，卡罗尔会非常乐于见到小Alice（爱丽丝）成为了一名为了验证自己的理论却又不得不绞尽脑汁的想要挽救自己生命的量子物理学家，同时，她也找到了一位终身合作者，名为Bob（鲍勃）。他们都是量子密码学和量子纠缠领域的主要研究者（当然，是虚构的），并且特别熟练操作量子隐形传态（quantum teleportation），这种操作需要将重建量子粒子的信息从Alice的实验室传输到Bob的实验室。

△ 1993年，C.H.Bennett等人在论文中提出了“量子隐形传态”，允许将任意未知量子态从一个发送者(Alice的实验室)传输到一个空间遥远的接收器(Bob的实验室)，而不需要实际传输对象本身。通过虫洞进行传输的唯一新东西是ER=EPR。（图片来源：C.H.Bennett et al.）

如果 ER = EPR 的基本概念是正确的，那么就正如 Leonard Susskind 在一系列令人着迷的论文中所探讨的那样，穿越虫洞是可行的。事实上，Susskind 认为，只要 Alice 和 Bob 愿意跳进两个由虫洞连接的纠缠的黑洞，接着他们需要在虫洞的中间相会，就可以证明 ER = EPR 理论，从而为它们赢得诺贝尔物理学奖。当然，这个方法只有一个瑕疵，那就是他们不可能再从虫洞出来（或者发送信息），所以没有人会知道当他们相遇时究竟发生了什么。他们会永远隐蔽在黑洞的事件视界（进入该视界后没有任何信号能够逃脱）的背后，因此对于视界外的观测者而言，ER = EPR 并没有可操作的意义。

难道我们就无法验证 ER = EPR 吗？在最新的这篇论文中，Susskind 和 Ying Zhao 提供了新的希望。他们表示有可能在实验室中模仿纠缠的黑洞，如此 Alice 和 Bob 就不需要冒生命危险也能验证他们的理论。他们需要说服一位名为 Tom（汤姆）的人进入实验室所制造的虫洞，看他是否会生存下来。Susskind 和 Zhao 在论文中写道：“结合量子隐形传态和由爱因斯坦-罗森桥连接的纠缠黑洞暗示了 ER = EPR 在原则上可以由不越过视界的观测者检验。”

在这个计划中，Tom并不是一个真人，他只是被传输者（teleportee）的符号。一个被传输者可以是一个包含了 Alice 想要传送给 Bob 的量子信息的光子。（例如，这个光子可能包含了Bob要执行的计算的重要信息。）Alice 不能简单的测量光子的信息，并把结果写下来邮件给 Bob。根据量子力学，如果你盯着光子看，就会使多种可能的测量结果减少为一个确定的态（比如说自旋向上）。Bob所需要的粒子则要保持多种可能的结果，使量子信息丰富。

如果 Bob 和 Alice 共享了一对纠缠光子，一个粒子的所有量子信息都可以被传输。Alice 允许她的纠缠光子与 Tom（那个充当被传输者的光子）相互作用，并记录其结果。（这个过程会毁坏被传输者！）Alice 就会打电话或发短信告诉 Bob 结果。Bob 就可以对他的纠缠光子进行操作，从而得到 Tom 的原始状态。（详见今天的第二篇文章：《哇，天地之间有个“传送门”》）

如果 ER = EPR 是对的，事实上 Tom 并没有被毁灭，而是穿越了连接了 Bob和 Alice 的纠缠光子的虫洞。Susskind 和 Zhao 完整并详尽的在数学上描述了这种可能性。一个关键的点是，传送量子信息的过程需要通过经典通道来传输普通信息：要传送一个量子比特的信息，Alice 必须以低于光速的传送方式向 Bob 发送至少两个普通比特的信息。因此这里并没有“瞬时”的鬼魅般的超距作用，这是通常被误解的地方。

Alice 和 Bob 永远都不可能亲自前往太空寻找两个正好适合的连接在一起的黑洞，更不必说去说服某个叫 Tom 的人独自前往。但是我们可以想象在一个实验室中如此安排的一对黑洞。或许一些聪明的凝聚态物理学家可以设计两个非相互作用的巨大的物质壳以模仿所需要的奇异引力时空几何。这些壳可以由一个虫洞连接，因此 Alice 和 Bob 可以跳进去并在某处相遇。但他们仍旧无法告诉在外面世界的人他们的成功。Alice 需要说服 Tom 跟其中的一个壳相合并，再传送他到 Bob 那里。

Sukkind 和 Zhao写道：“当 Tom 从 Bob 的壳...出现时，他会回想起所有他遇到的事情，并确认他的确穿过了虫洞。” 

另一方面，两个纠缠的量子计算机可以被用来模拟虫洞旅行。若要将一个人进行传送，则两台量子计算机都必须具有巨大的存储容量。但是，拥有两台100量子比特的量子计算机，就能传送一个量子比特为10的被传输者穿越虫洞。通过微小改变被传输者的初始状态，应该可以确认被传输者的最终状态如何与虫洞内的条件反应，从而验证虫洞存在的证据，并证明 ER = EPR。

尽管实验室中并没有真正的黑洞存在，Susskind 和 Zhao 却已经大胆的宣称了爱因斯坦-罗森几何的存在，并且还连接着两个纠缠的壳或量子计算机。从表面看来，这似乎有点虚幻，但鉴于实验室是ER = EPR的量子引力世界的一部分，结论似乎是不可避免的。他们最后总结到：“在实验室中通过虫洞进行传输似乎没有原则上的阻碍。”

或许，卡罗尔的下一本书应该忘记爱丽丝，书名应叫做《汤姆虫洞历险记》。

参考文献：

[1] https://arxiv.org/pdf/1707.04354.pdf

[2] https://www.sciencenews.org/blog/context/wormhole-black-hole-quantum-entanglement?tgt=nr