Czarne dziury są potworami grawitacyjnymi, wyciskającymi gaz i pył do mikroskopijnego punktu, jak wielkie kosmiczne kompaktory do śmieci. Współczesna fizyka dyktuje, że po skonsumowaniu informacje o tej materii powinny zostać na zawsze utracone dla wszechświata. Ale nowy eksperyment sugeruje, że może istnieć sposób na zastosowanie mechaniki kwantowej, aby uzyskać wgląd w wnętrze czarnej dziury.
„W fizyce kwantowej informacji nie można utracić” - powiedział Live Science Kevin Landsman, absolwent fizyki w Joint Quantum Institute (JQI) na University of Maryland w College Park. „Zamiast tego informacje mogą być ukryte lub zakodowane” wśród subatomowych, nierozerwalnie połączonych cząstek.
Landsman i jego współautorzy wykazali, że mogli zmierzyć, kiedy i jak szybko informacje zostały zakodowane w uproszczonym modelu czarnej dziury, zapewniając potencjalne spojrzenie na nieprzeniknione w inny sposób istoty. Odkrycia, które pojawiają się dzisiaj (6 marca) w czasopiśmie Nature, mogą również pomóc w rozwoju komputerów kwantowych.
Czarne dziury to nieskończenie gęste, nieskończenie małe obiekty powstałe w wyniku zawalenia się gigantycznej, martwej gwiazdy, która przeszła w supernową. Z powodu ogromnego przyciągania grawitacyjnego zasysają otaczający materiał, który znika za tak zwanym horyzontem zdarzeń - punktem, za którym nic, w tym światło, nie może uciec.
W latach siedemdziesiątych słynny fizyk teoretyczny Stephen Hawking udowodnił, że czarne dziury mogą się kurczyć w ciągu życia. Zgodnie z prawami mechaniki kwantowej - zasadami dyktującymi zachowanie cząstek subatomowych w małych skalach - pary cząstek spontanicznie pojawiają się tuż poza horyzontem zdarzeń czarnej dziury. Jedna z tych cząsteczek wpada następnie do czarnej dziury, podczas gdy druga jest wyrzucana na zewnątrz, kradnąc w ten sposób mały smidgeon energii. W bardzo długich skalach czasowych gromadzi się wystarczającą ilość energii, aby czarna dziura odparowała, proces znany jako promieniowanie Hawkinga, jak wcześniej informował Live Science.
Ale w nieskończenie gęstym sercu czarnej dziury kryje się zagadka. Mechanika kwantowa mówi, że informacji o cząsteczce - jej masie, pędzie, temperaturze itd. - nigdy nie można zniszczyć. Reguły względności jednocześnie stwierdzają, że cząsteczka, która przeleciała obok horyzontu zdarzeń czarnej dziury, połączyła się z nieskończenie gęstym zgnieceniem w centrum czarnej dziury, co oznacza, że nigdy nie można odzyskać żadnych informacji na jej temat. Dotychczasowe próby rozwiązania tych niekompatybilnych wymagań fizycznych nie powiodły się; teoretycy, którzy pracowali nad problemem, nazywają dylemat paradoksem informacyjnym czarnej dziury.
W swoim nowym eksperymencie Landsman i jego koledzy pokazali, jak uzyskać ulgę w związku z tym problemem, stosując latającą na zewnątrz cząsteczkę w parze promieniowania Hawkinga. Ponieważ jest on uwikłany w swojego nieomylnego partnera, co oznacza, że jego stan jest nierozerwalnie związany ze stanem swojego partnera, pomiar właściwości jednego może dostarczyć ważnych szczegółów na temat drugiego.
„Można odzyskać informacje upuszczone do czarnej dziury, wykonując masowe obliczenia kwantowe tych wychodzących” - powiedział w oświadczeniu Norman Yao, fizyk z University of California w Berkeley i członek zespołu.
Cząsteczki wewnątrz czarnej dziury mają wszystkie swoje kwantowo-mechaniczne dane „zakodowane”. Oznacza to, że ich informacje zostały chaotycznie zmieszane ze sobą w sposób, który powinien uniemożliwić kiedykolwiek wyodrębnienie. Ale zaplątana cząstka, która zostaje pomieszana w tym systemie, może potencjalnie przekazać informacje swojemu partnerowi.
Robienie tego dla prawdziwej czarnej dziury jest beznadziejnie skomplikowane (a poza tym czarne dziury są trudne do zdobycia w laboratoriach fizyki). Tak więc grupa stworzyła komputer kwantowy, który przeprowadzał obliczenia przy użyciu splątanych bitów kwantowych lub kubitów - podstawowej jednostki informacji wykorzystywanej w obliczeniach kwantowych. Następnie stworzyli prosty model wykorzystujący trzy jądra atomowe pierwiastka Ytterbium, które wszystkie były ze sobą splecione.
Za pomocą innego zewnętrznego kubitu fizycy byli w stanie stwierdzić, kiedy cząstki w układzie trójcząstkowym uległy zakodowaniu i mogli zmierzyć, jak się zakodowały. Co ważniejsze, ich obliczenia wykazały, że cząstki były specjalnie mieszane ze sobą, a raczej z innymi cząsteczkami w środowisku, powiedział Raphael Bousso, fizyk teoretyczny z UC Berkeley, który nie był zaangażowany w pracę, powiedział Live Science.
„To wspaniałe osiągnięcie” - dodał. „Okazuje się, że rozróżnienie, które z tych rzeczy faktycznie dzieją się w twoim układzie kwantowym, jest bardzo trudnym problemem”.
Wyniki pokazują, w jaki sposób badania czarnych dziur prowadzą do eksperymentów, które mogą zbadać małe subtelności w mechanice kwantowej, powiedział Bousso, które mogą być pomocne w rozwoju przyszłych mechanizmów obliczania kwantowego.
