权威文章：量子计算将可能帮助研究量子引力
在今天的《量子》杂志上，刊登了当代权威物理学家约翰·普雷斯基尔的量子专题文章。普雷斯基尔是谁？国内知道他的不多。在介绍这篇文章前，先简单介绍一下作者。
约翰·普雷斯基尔（John Preskill），加州理工学院理论物理教授、量子信息研究所所长、量子信息科学和量子计算领域的领先科学家，他以创造“量子至上”（quantum supremacy）一词而闻名，同时也以霍金赌局闻名。霍金赌局是一场针对黑洞信息佯谬所做的物理学赌局，参加者由霍金与另一位著名美国理论物理学家基普·索恩两位组成一方，对方则为约翰·普雷斯基尔。于2004年，霍金宣布认输，相信黑洞视界表面会出现量子涨落并漏出信息。
下面简要介绍他写的这篇专题文章，标题为：“在实验室中探索量子黑洞”，副标题为：“我们可以检验有关量子物理学如何影响黑洞和大爆炸的猜测吗？”
在物理学中，我们通过猜测来发现新的定律，将猜测的结果与实验结果进行比较。正如常被引用的费曼所言：“你的猜测多么美丽并没有什么不同，你有多聪明没有任何区别……如果与实验不相符，那你就错了。”
这是物理与例如数学不同的本质。数学家也做出猜测，他们对真理的最终仲裁者是严格的证明。物理学家可能会使用甚至发明复杂的数学工具，但他们的目标是不同的：按原样解释宇宙。为此，实验是必不可少的。
当然，实验验证可能远远落后于我们的理论推测。科学家花了100年的时间才能探测到地球上的引力波，而花了50年的时间才发现了希格斯玻色子。两者都需要大量的创造力、技术发展和资金投入。这些实验性观察不仅证实了理论上的预测，而且还为我们提供了一些新的认知，同时为进一步的研究打开大门。我们原本以为天体物理源会产生可检测到的引力波，但我们不知道这些源将有多常见；我们有理由相信希格斯玻色子的存在，但不确定其质量。
量子引力的研究是理论在实验之前的极为典型的案例。我们对原子和亚核粒子尺度上的量子物理学有相当满意的理解，但是没有经过实验验证的适用于很强引力的量子理论。没有这样的理论，我们将无法理解大爆炸后不久早期宇宙中发生的事情，也无法预测在黑洞中被压缩到难以想象的高密度。我们需要实验来指导，可是令人沮丧地难以捉摸。
粒子物理学的历史提供了有益的启示。到1950年代，我们有了与实验相吻合的弱核力理论。但是纯粹出于理论上的原因，我们知道它是有缺陷的和不完整的。我们甚至可以估计，该理论的预测将在非常短的距离范围（约10的负18次方米或更短）内失败。最终，足够强大的加速器可以在如此微小的规模上探索物质，从而导致了新现象的发现，例如W和Z玻色子和希格斯粒子，从而指向了更完整的理论。
借助引力，我们再次有充分的理由相信当前的理论是不完整的，在这里我们也可以估计新现象必须出现的距离范围：大约10的负35次方米。不幸的是，要构建一个可以使用现有技术探测这种规模的粒子加速器，就需要一台与银河系差不多大的机器。显然，即使在遥远的将来，这也将遥不可及。
用“蛮力”来研究量子引力是行不通的，因此我们必须找到一种更巧妙、更直接的方法来取得进展。实际上，我们确实有各种提议在实验室中探索量子引力，所有这些都需要实验家们英勇的努力，但不一定是徒劳的。我想讨论一种令人兴奋的特定方法。
为了理解它，让我们集中讨论由于量子效应而导致的黑洞的形成和最终蒸发，这是量子引力研究的典型现象。起初，似乎不可能在实验室中进行相关实验，更不用说是危险了。但是可能有办法。
量子引力的理论研究在相同物理现象的两种不同形式之间建立了惊人的等价关系。由于有了这种等效性，黑洞的生命周期可以用完全不涉及引力、完全不同的语言来描述。相反，“双重”量子系统由许多彼此强烈相互作用的粒子组成。当前研究的一个目标是充实将这些语言中的一种翻译成另一种的字典。
相同的基础物理学的两种不同描述的等效性似乎只是“纯粹”的数学观察，但对实验的意义却是深远的。事实证明，研究黑洞的非引力描述所需的实验工具正是物理学家出于完全不同的原因已经开发出的工具——用于操作解决非常困难的计算问题的量子装置。那是因为在模拟量子引力和进行量子计算时，我们都需要存储一个由许多粒子组成的复杂系统，并精确地控制它们之间的相互作用。
多年以来，我对量子计算和黑洞都非常感兴趣，因此对我而言，两者之间的这种联系非常有趣和令人满足。可以肯定的是，量子计算技术仍不成熟，因此我们将无法在短期内在实验室中模拟现实的黑洞。没关系，我们将着手研究简化的模型，以捕获量子引力的一些有趣特征。即使这些都可以提供指导，随着量子技术的发展，我们将能够进行越来越复杂的实验。
此外，二元性是一条两条路。量子计算机不仅会教会我们有关量子引力的知识，通过将许多强烈相互作用的粒子的行为与引力现象相关联，我们可以更好地理解该行为。通常，如果我们在一个高度交互的系统中的某个特定位置上打印一些信息，则该信息会迅速传播，很快就会变得非常难以阅读。但是，我们知道一些有趣的情况，由于远非显而易见的原因，这些信息最终会重新聚焦，并可以在远处的其他位置轻松读取。
当翻译成双重引力语言时，这个神秘的过程将更容易掌握。在此框架中，虫洞连接了空间中的两个遥远点。刻印的信息进入虫洞的一端时消失，然后从另一端出现时再次出现。物理学家渴望对复杂现象进行这种直观的解释，而实验学家和理论家的共同努力必将产生同类的更多见解。
我们有时会担心，随着科学的发展，它会不断分裂为越来越狭窄的专业，彼此之间的相互作用越来越少。但是根据我自己的经验，我看到了一种更强大的反补趋势：随着知识的发展，从事不同领域工作的科学家发现，彼此之间有越来越多的学习机会。高能理论学家的猜测助长了在实验室中探测量子引力的机会，但同时也极大地借鉴了凝聚态物理学家、原子物理学家和计算机科学家的专业知识。这些令人兴奋和深化的联系使我对未来感到乐观。
参考：https://www.quantamagazine.org/john-preskill-quantum-computing-may-help-us-study-quantum-gravity-20200715/量子认知 | 简介科学新知识，敬请热心来关注。