黑洞計(jì)算機(jī)

      (黑洞計(jì)算機(jī)可能聽起來荒誕不經(jīng)，然而，宇宙學(xué)和基礎(chǔ)物理學(xué)的研究人員正在證明它是一個(gè)有用的概念工具。如果物理學(xué)家能夠在粒子加速器中創(chuàng)造黑洞（有預(yù)言認(rèn)為10年之內(nèi)可能實(shí)現(xiàn)），他們可能確實(shí)能觀察到黑洞在執(zhí)行運(yùn)算。) 

     計(jì)算機(jī)與宇宙黑洞有區(qū)別嗎？這個(gè)問題乍聽起來，就像某個(gè)微軟笑話的開場白。然而，它卻是當(dāng)今物理學(xué)最深?yuàn)W的問題之一。在大多數(shù)人看來，計(jì)算機(jī)是專門化的新發(fā)明：流線型的臺(tái)式機(jī)箱或者咖啡壺內(nèi)的手指甲般芯片。而對(duì)一名物理學(xué)家來說，所有自然系統(tǒng)都是計(jì)算機(jī)。巖石、原子彈及星系可能不運(yùn)行Linux程序，但它們也記錄和處理信息。每個(gè)電子、光子及其他基本粒子都存儲(chǔ)數(shù)據(jù)比特值。大自然與信息是糾纏在一起的，正如美國普林斯頓大學(xué)的物理學(xué)家John Wheeler所說，“它來自比特?！?/P>

     黑洞可能看起來像是對(duì)萬物計(jì)算規(guī)則的一個(gè)例外，將信息輸入到黑洞中并無困難。然而根據(jù)愛因斯坦廣義相對(duì)論，從黑洞中取出信息則是不可能的。進(jìn)入黑洞的物質(zhì)被同一化，其成分與細(xì)節(jié)已不可恢復(fù)地?fù)p失了。1970年代，英國劍橋大學(xué)的斯蒂芬?霍金曾表明，當(dāng)考慮量子力學(xué)時(shí)，黑洞確有輸出：它們灼熱燃燒正像一塊熱煤。然而在霍金的分析中，這一輻射是紊亂隨機(jī)的；它沒有攜帶關(guān)于什么進(jìn)入其中的任何信息。如果一頭大象落入其中，則大象的能量值會(huì)漏出去――然而這能量將會(huì)是一團(tuán)大雜燴。它不能被利用（即使在原則上），也不能重新造出這頭大象。

     因?yàn)榱孔恿W(xué)定律是保持信息的，所以信息的明顯損失就提出了一系列難題。其他一些科學(xué)家，包括美國斯坦福大學(xué)的Leonard Susskind、加州理工學(xué)院的John Preskill及荷蘭烏特勒支（Utrecht）大學(xué)Gerard't Hooft等人爭辯說，事實(shí)上，向外發(fā)出的輻射不是隨機(jī)的，而是落入黑洞物質(zhì)的一種被處理過的形式。2004年夏，霍金已轉(zhuǎn)而同意他們的觀點(diǎn)，認(rèn)為黑洞也在進(jìn)行計(jì)算。

     黑洞只不過是宇宙登記和處理信息的普遍原理的最大特例。這個(gè)原理本身并不新。在19世紀(jì)，統(tǒng)計(jì)力學(xué)的奠基者們發(fā)展了后來稱為信息論的知識(shí)，以解釋熱力學(xué)的諸定律。乍一看，熱力學(xué)和信息論是兩個(gè)分離的范疇：一個(gè)是用來描述蒸汽機(jī)，另一個(gè)使通訊最優(yōu)化；然而，熵這個(gè)熱力學(xué)量限定了蒸汽機(jī)做有用功的能力，而熵又正比于物質(zhì)內(nèi)由分子的位置與速度所記錄的比特?cái)?shù)。20世紀(jì)的量子力學(xué)將這一發(fā)現(xiàn)置于堅(jiān)實(shí)的定量基礎(chǔ)之上，并使科學(xué)家具有顯著的量子信息概念。組成宇宙的各比特值是量子比特，或稱“昆比”（qubits），較之于普通比特，它具有遠(yuǎn)為豐富的性質(zhì)。

千兆也嫌慢

    物理學(xué)與信息論（源于量子力學(xué)的中心原理）合流了：說到底，離散是自然的本性；一個(gè)自然系統(tǒng)可以用有限的比特值來描述。在系統(tǒng)內(nèi)，每個(gè)粒子的行為正像一臺(tái)計(jì)算機(jī)的邏輯門。它的自旋“軸”能指向兩個(gè)方向中的一個(gè)，因此可以編碼一個(gè)比特，并且可以翻轉(zhuǎn)，由此執(zhí)行一個(gè)簡單的計(jì)算操作。

     系統(tǒng)在時(shí)間上也是離散的。傳遞一個(gè)比特所取時(shí)間是最小量值。精確量值由一個(gè)定理所給出，該定理是由信息處理物理學(xué)的兩位先驅(qū)所命名的：一位是美國麻省理工學(xué)院的Normam Margolus，另一位是波士頓大學(xué)的Lev Levitin。該定理與海森堡的測不準(zhǔn)原理相關(guān)聯(lián)（測不準(zhǔn)原理描述了諸如對(duì)位置與動(dòng)量或者時(shí)間與能量兩個(gè)相關(guān)物理量進(jìn)行測量時(shí)，存在著固有的折衷取舍），它聲稱，傳遞一個(gè)比特所取時(shí)間t依賴于你所施加的能量E，施加的能量愈多，時(shí)間則可能愈短。數(shù)學(xué)表達(dá)式是T≥h/4E，其中h是普朗克常數(shù)（量子理論的主要參數(shù)）。例如，一種類型的實(shí)驗(yàn)量子計(jì)算機(jī)用質(zhì)子來存儲(chǔ)信息比特，而用磁場來翻轉(zhuǎn)各比特值。這些運(yùn)算是在由Margolus－Levitin定理所允許的最小時(shí)間內(nèi)發(fā)生的。

     從這個(gè)定理出發(fā)，可以推導(dǎo)出包括時(shí)空的幾何極限到整個(gè)宇宙的計(jì)算能力在內(nèi)的大量結(jié)論。作為預(yù)習(xí)，試考慮普通物質(zhì)的計(jì)算能力的極限――在此情況內(nèi)，取占有一升體積的一千克物質(zhì)，我們且稱其為“極端掌上計(jì)算機(jī)”。

極端計(jì)算

    怎樣才算一臺(tái)計(jì)算機(jī)？這是一個(gè)復(fù)雜得驚人的問題。不論你如何精確地定義，它都不只是那些人們通常稱為“計(jì)算機(jī)”的東西，而可以是世界上的任何物體。自然界的物體能解決廣義的邏輯和數(shù)學(xué)問題，盡管它們的輸入和輸出可能不是對(duì)人類有意義的那種形式。自然計(jì)算機(jī)具有內(nèi)在的數(shù)字性：以離散的量子態(tài)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，如基本粒子的自旋。它們的指令集合是量子物理學(xué)。 

    粒子無論何時(shí)發(fā)生相互作用，都會(huì)引起彼此取向的翻轉(zhuǎn)。這一過程可以借助于諸如C或Java等編程語言來想像：粒子就是一些變量，它們的相互作用就是諸如加法等運(yùn)算行為。每一比特信息在每秒鐘內(nèi)能翻轉(zhuǎn)10*20次，這等效于時(shí)鐘速度為100GG赫茲。事實(shí)上，系統(tǒng)變化太快，不能由中心時(shí)鐘來控制。將一個(gè)數(shù)位比特翻轉(zhuǎn)所用時(shí)間，近似等于從一個(gè)數(shù)位將信號(hào)傳送到相鄰數(shù)位的時(shí)間。因此，極端便掌上計(jì)算機(jī)是高度平行運(yùn)作的：它的運(yùn)行不像單一處理器，而是像多個(gè)處理器的一個(gè)巨大陣列；每個(gè)處理器的工作幾乎獨(dú)立，并將其運(yùn)算結(jié)果傳送到其他相對(duì)較慢的處理器上。

     比較來看，一臺(tái)常規(guī)計(jì)算機(jī)每秒鐘翻轉(zhuǎn)其信息比特大約10*9次，存儲(chǔ)約10*12比特的信息，且只包含單一的處理器。如果摩爾（More）定律能夠保持的話，你的后世子孫將有可能在23世紀(jì)中期買到一臺(tái)極端掌上計(jì)算機(jī)。工程師們將找到精確控制等離子體內(nèi)粒子相互作用的方法，而該等離子體要比太陽的核心還要熱，而且控制計(jì)算機(jī)和糾錯(cuò)將占用許多通訊帶寬。工程師們也可能已經(jīng)解決了某些節(jié)點(diǎn)封裝的問題。

從納米技術(shù)到塞米技術(shù)*

     如果任何一塊物質(zhì)都可看作一臺(tái)計(jì)算機(jī)的話，那么一個(gè)黑洞就正是一臺(tái)壓縮到最小尺寸的計(jì)算機(jī)。隨著計(jì)算機(jī)的縮小，其部件之間的相互引力就增大，直至最終增大到?jīng)]有物體能夠逃逸出去。黑洞的尺寸（稱為Schwarzschild半徑）正比于它的質(zhì)量。

     一千克質(zhì)量的黑洞有著大約10*-27米的半徑（一個(gè)質(zhì)子的半徑是10*-15米）。壓縮后的計(jì)算機(jī)并未改變其能量內(nèi)容，因此它能像以前一樣每秒執(zhí)行10*51次運(yùn)算。發(fā)生改變的僅是它的存儲(chǔ)容量。當(dāng)引力小到可忽略時(shí)，總存儲(chǔ)容量正比于粒子數(shù)，也正比于體積。而當(dāng)引力起支配作用時(shí)，它使各粒子之間相互聯(lián)結(jié)，因此它們整體上所能存儲(chǔ)的信息容量就較少。一個(gè)黑洞的總存儲(chǔ)容量正比于它的表面積。1970年代，霍金和以色列希伯萊大學(xué)的Jacob Bekenstein計(jì)算一千克質(zhì)量的黑洞能夠記錄大約10*16個(gè)比特的信息，比壓縮前要少得多。

     因?yàn)榇鎯?chǔ)的信息量少，黑洞是個(gè)快得多的處理器。它傳遞一個(gè)比特所用的時(shí)間是10*-35秒，等于光從計(jì)算機(jī)一邊傳到另一邊所用的時(shí)間。因此，較之高度并行的極端掌上計(jì)算機(jī)，黑洞是個(gè)串行計(jì)算機(jī)，它的行為如同一個(gè)獨(dú)立的單元。

     黑洞計(jì)算機(jī)將怎樣實(shí)際運(yùn)行呢？輸入是不成問題的：只要將數(shù)據(jù)以物質(zhì)或能量的形式編碼，然后投入到黑洞內(nèi)即可。通過適當(dāng)制備投入黑洞的物質(zhì)材料，黑客將能夠?yàn)楹诙磮?zhí)行任何所需要的計(jì)算編制程序。一旦物質(zhì)進(jìn)入黑洞，它就永遠(yuǎn)消失了――所謂的“穹界”（event horizon）劃分了一去不返的分界線。垂直落下的粒子彼此相互作用，在到達(dá)黑洞中心之前的有限時(shí)間內(nèi)執(zhí)行著運(yùn)算。這個(gè)中心就是引力奇點(diǎn)，粒子到此則不復(fù)存在。物質(zhì)在奇點(diǎn)處被擠壓在一起，究竟發(fā)生了什么，這要取決于量子引力的細(xì)節(jié)，目前對(duì)此尚未可知。

     黑洞計(jì)算機(jī)的輸出采取霍金輻射的形式。如果一個(gè)一千克質(zhì)量的黑洞放出霍金輻射，為了維持輻射能量，其質(zhì)量將迅速衰減，在10*-21秒內(nèi)完全消失。輻射的峰值波長等于黑洞的半徑，對(duì)于一千克質(zhì)量的黑洞，這一波長等于極強(qiáng)烈的伽瑪射線的波長。粒子檢測器能夠俘獲并解碼此輻射，為人類所用。