基本介紹
- 中文名：黑洞計算機
- 外文名：Black hole computers
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設備介紹
宇宙黑洞
計算機與宇宙黑洞有區別嗎？這個問題乍聽起來，就像某個微軟笑話的開場白。然而，它卻是當今物理學最深奧的問題之一。在大多數人看來，計算機是專門化的新發明：流線型的台式機箱或者咖啡壺內的手指甲般大小的晶片。而對一名物理學家來說，所有自然系統都是計算機。岩石、核子彈及星系可能不運行Linux程式，但它們卻記錄和處理信息。每個電子、光子及其他基本粒子都存儲數據比特值。大自然與信息是糾纏在一起的，正如美國普林斯頓大學的物理學家John Wheeler所說，“它來自比特。”
例外黑洞
黑洞可能看起來像是對萬物計算規則的一個例外，將信息輸入到黑洞中並無困難。然而根據愛因斯坦廣義相對論，從黑洞中取出信息則是不可能的。進入黑洞的物質被同一化，其成分與細節已不可恢復地損失了。二十世紀七十年代，英國劍橋大學的史蒂芬·霍金曾表明，當考慮量子力學時，黑洞確有輸出：它們灼熱的燃燒正像一塊熱煤。然而在霍金的分析中，這一輻射是紊亂隨機的；它沒有攜帶關於進入其中的任何信息。如果一頭大象落入其中，則大象的能量值會漏出去——然而這能量將會是一團大雜燴。它不能被利用（即使在原則上），也不能重新造出這頭大象。
信息損失
因為量子力學定律是保持信息的，所以信息的明顯損失就提出了一系列難題。其他一些科學家，包括美國史丹福大學的Leonard Susskind、加州理工學院的John Preskill及荷蘭烏特勒支大學Gerard't Hooft等人爭辯說，事實上，向外發出的輻射不是隨機的，而是落入黑洞物質的一種被處理過的形式。2004年夏，霍金已轉而同意他們的觀點，認為黑洞也在進行計算。
特例黑洞
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。這個原理本身並不新。在19世紀，統計力學的奠基者們發展了後來稱為資訊理論的知識，以解釋熱力學的諸定律。乍一看，熱力學和資訊理論是兩個分離的範疇：一個是用來描述蒸汽機，另一個使通訊最最佳化；然而，熵這個熱力學量限定了蒸汽機做有用功的能力，而熵又正比於物質內由分子的位置與速度所記錄的比特數。20世紀的量子力學將這一發現置於堅實的定量基礎之上，並使科學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），較之於普通比特，它具有遠為豐富的性質。
藉助於比特和位元組對宇宙進行分析，並不能替代力和能量等量的常規分析，卻揭示出許多令人驚異的新事實。例如，它解開了統計力學領域稱為“麥克斯韋妖魔”的佯謬現象——這一佯謬似乎允許永動機存在。在最近幾年內，我們和其他物理學家一直以相同的見解看待宇宙學及基礎物理學：黑洞的本質、時空的精細尺度結構、宇宙暗能量的行為以及自然界的某些極端規律等。宇宙不僅是一個巨型計算機，而且還是一個巨型量子計算機，正如義大利帕多瓦大學的物理學Paola Zizzi所說，“它來自量子比特。”
設備特性
千兆也嫌慢
系統在時間上也是離散的。傳遞一個比特所取時間是最小量值。精確量值由一個定理所給出，該定理是由信息處理物理學的兩位先驅所命名的：一位是美國麻省理工學院的Normam Margolus，另一位是波士頓大學的Lev Levitin。該定理與海森堡的測不準原理相關聯（測不準原理描述了諸如對位置與動量或者時間與能量兩個相關物理量進行測量時，存在著固有的折衷取捨）。它聲稱，傳遞一個比特所取時間t，依賴於你所施加的能量E，施加的能量愈多，時間則可能愈短。數學表達式是T≥h/4E，其中h是普朗克常數（量子理論的主要參數）。例如，一種類型的實驗量子計算機用質子來存儲信息比特，而用磁場來翻轉各比特值,這些運算是在由Margolus－Levitin定理所允許的最小時間內發生的。
從這個定理出發，可以推導出包括時空的幾何極限到整個宇宙的計算能力在內的大量結論。作為預習，試考慮普通物質的計算能力的極限——在此情況內，取占有一升體積的一千克物質，我們且稱其為“極端掌上計算機”。
能量來源
它的電池能源就是其物質本身，通過愛因斯坦著名的質能公式E=mc*2直接轉換為能量。如果將這些能量全數投入到翻轉的比特位中，則計算機每秒鐘能進行10^51次運算；隨著能量的降低其運算逐漸變慢。計算機的存儲容量可以用熱力學計算：當一千克物質轉變為一升體積內的能量時，它的溫度是10億開氏度。熵正比於能量除以溫度，相應地達到10*31比特的信息量。“極端掌上計算機”是在基本粒子的微觀運動及位置中存儲信息的，而這些粒子在其體積內四處運動，因此熱力學定律所允許的每一個信息比特都投入了使用。
極端計算
怎樣才算一台計算機？這是一個複雜得驚人的問題。不論你如何精確地定義，它都不只是那些人們通常稱為“計算機”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學問題，儘管它們的輸入和輸出可能不是對人類有意義的那種形式。自然計算機具有內在的數字性：以離散的量子態存儲數據，如基本粒子的自旋。它們的指令集合是量子物理學。
粒子無論何時發生相互作用，都會引起彼此取向的翻轉。這一過程可以藉助於諸如C或Java等程式語言來想像：粒子就是一些變數，它們的相互作用就是諸如加法等運算行為。每一比特信息在每秒鐘內能翻轉10^20次，這等效於時鐘速度為100GG赫茲。事實上，系統變化太快，不能由中心時鐘來控制。將一個數位比特翻轉所用時間，近似等於從一個數位將信號傳送到相鄰數位的時間。因此，極端便掌上計算機是高度平行運作的：它的運行不像單一處理器，而是像多個處理器的一個巨大陣列；每個處理器的工作幾乎獨立，並將其運算結果傳送到其他相對較慢的處理器上。
比較來看，一台常規計算機每秒鐘翻轉其信息比特大約10^9次，存儲約10^12比特的信息，且只包含單一的處理器。如果摩爾定律能夠保持的話，你的後世子孫將有可能在23世紀中期買到一台極端掌上計算機。工程師們將找到精確控制電漿內粒子相互作用的方法，而該電漿要比太陽的核心還要熱，而且控制計算機和糾錯將占用許多通訊頻寬。工程師們也可能已經解決了某些節點封裝的問題。
在某種意義上，如果你認對了人，你事實上已經能夠買到這樣的裝置。一千克的一塊物質完全轉化為能量——這正是一顆2000萬噸級氫彈的工作定義。爆炸的核武器正在處理巨量的信息，其初始結構給出其輸入，其輻射給出其輸出。
塞米技術
如果任何一塊物質都可看作一台計算機的話，那么一個黑洞就正是一台壓縮到最小尺寸的計算機。隨著計算機的縮小，其部件之間的相互引力就增大，直至最終增大到沒有物體能夠逃逸出去。黑洞的尺寸（稱為Schwarzschild半徑）正比於它的質量。
一千克質量的黑洞有著大約10^-27米的半徑（一個質子的半徑是10*-15米）。壓縮後的計算機並未改變其能量內容，因此它能像以前一樣每秒執行10*51次運算。發生改變的僅是它的存儲容量。當引力小到可忽略時，總存儲容量正比於粒子數，也正比於體積。而當引力起支配作用時，它使各粒子之間相互聯結，因此它們整體上所能存儲的信息容量就較少。一個黑洞的總存儲容量正比於它的表面積。1970年代，霍金和以色列希伯萊大學的Jacob Bekenstein計算一千克質量的黑洞能夠記錄大約10*16個比特的信息，比壓縮前要少得多。
因為存儲的信息量少，黑洞是個快得多的處理器。它傳遞一個比特所用的時間是10^-35秒，等於光從計算機一邊傳到另一邊所用的時間。因此，較之高度並行的極端掌上計算機，黑洞是個串列計算機，它的行為如同一個獨立的單元。
實際運算
黑洞計算機將怎樣實際運行呢？輸入是不成問題的：只要將數據以物質或能量的形式編碼，然後投入到黑洞內即可。通過適當製備投入黑洞的物質材料，黑客將能夠為黑洞執行任何所需要的計算編製程序。一旦物質進入黑洞，它就永遠消失了——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，在到達黑洞中心之前的有限時間內執行著運算。這箇中心就是引力奇點，粒子到此則不復存在。物質在奇點處被擠壓在一起，究竟發生了什麼，這要取決於量子引力的細節，目前對此尚未可知。
輸出方式
黑洞計算機的輸出採取霍金輻射的形式。如果一個一千克質量的黑洞放出霍金輻射，為了維持輻射能量，其質量將迅速衰減，在10*-21秒內完全消失。輻射的峰值波長等於黑洞的半徑，對於一千克質量的黑洞，這一波長等於極強烈的伽瑪射線的波長。粒子檢測器能夠俘獲並解碼此輻射，為人類所用。
霍金對於黑洞輻射的研究，使他的名字跟這一輻射連在了一起。他推翻了人們認為沒有任何東西可逃出黑洞的傳統知識。黑洞的輻射速率與其尺寸成反比，因此，諸如星系中心的那些大黑洞的能量損失，比它們吞噬物質要慢得多。然而，在將來實驗人員可能在粒子加速器內創造某些微小黑洞，這些黑洞將隨著一陣輻射而爆炸。一個黑洞可不被看作是固定的物體，而被看作是以最大可能速率執行運算的物質的短暫集合。
根據宇宙所包含的總能量，勞埃德算出宇宙計算機可以執行10的10120次基本運算。而它能存儲的信息則大約有10的1090次比特。如果考慮到所謂的“引力自由度”，那么宇宙計算機還有潛力可挖：存儲容量提高到10的10120次比特。這大約相當於10的10103次塊10G容量的硬碟，不過，我們似乎沒法製造出這么多硬碟，因為宇宙大約只有10的1080次個基本粒子。
