Черные дыры - это гравитационные монстры, сжимающие газ и пыль до микроскопической точки, как большие космические компакторы для мусора. Современная физика требует, чтобы после потребления информация об этом веществе была навсегда потеряна для Вселенной. Но новый эксперимент предполагает, что мог бы быть способ использовать квантовую механику, чтобы получить некоторое представление о внутренней части черной дыры.
«В квантовой физике информация не может быть потеряна», - сказал Live Science Кевин Лэндсман, аспирант-физик Объединенного квантового института (JQI) Университета Мэриленда в Колледж-Парке. «Вместо этого информация может быть скрыта или зашифрована» среди субатомных, неразрывно связанных частиц.
Лэндсман и его соавторы показали, что они могут измерить, когда и как быстро информация зашифровывается в упрощенной модели черной дыры, обеспечивая потенциальный взгляд на непроницаемые в противном случае объекты. Результаты, опубликованные сегодня (6 марта) в журнале Nature, также могут помочь в разработке квантовых компьютеров.
Черные дыры - это бесконечно плотные, бесконечно маленькие объекты, образовавшиеся в результате коллапса гигантской мертвой звезды, которая стала сверхновой. Из-за их огромного гравитационного притяжения они всасывают окружающий материал, который исчезает за так называемым горизонтом событий - точкой, через которую ничто, включая свет, не может уйти.
В 1970-х годах известный физик-теоретик Стивен Хокинг доказал, что черные дыры могут сокращаться в течение жизни. Согласно законам квантовой механики - правилам, которые определяют поведение субатомных частиц в крошечных масштабах - пары частиц самопроизвольно возникают непосредственно за горизонтом событий черной дыры. Одна из этих частиц затем падает в черную дыру, в то время как другая движется наружу, крадя при этом крошечный кусок энергии. В течение очень длительных периодов времени воровано достаточно энергии, чтобы черная дыра испарилась, процесс, известный как излучение Хокинга, как ранее сообщала Live Science.
Но в бесконечно плотном сердце черной дыры прячется загадка. Квантовая механика говорит, что информация о частице - ее массе, импульсе, температуре и т. Д. - никогда не может быть уничтожена. Правила относительности одновременно гласят, что частица, которая масштабировалась за горизонт событий черной дыры, соединилась с бесконечно плотным раздавливанием в центре черной дыры, а это означает, что никакая информация о ней не может быть восстановлена снова. Попытки разрешить эти несовместимые физические требования до настоящего времени не увенчались успехом; теоретики, работавшие над этой проблемой, называют дилемму информационным парадоксом черной дыры.
В своем новом эксперименте Лэндсман и его коллеги показали, как добиться некоторого облегчения этой проблемы с помощью летящей наружу частицы в паре излучения Хокинга. Поскольку он запутался со своим партнером-нарушителем, а это означает, что его состояние неразрывно связано с состоянием его партнера, измерение свойств одного может дать важные сведения о другом.
«Информацию, попавшую в черную дыру, можно восстановить, выполнив массивный квантовый расчет этих исходящих событий», - заявил в заявлении Норман Яо, физик из Калифорнийского университета в Беркли и член команды.
У частиц внутри черной дыры вся их информация была квантово-механически "перемешана". То есть, их информация была хаотично перемешана таким образом, что невозможно было когда-либо выбраться. Но запутанная частица, которая перемешивается в этой системе, потенциально может передавать информацию своему партнеру.
Делать это для реальной черной дыры безнадежно сложно (и, кроме того, в физических лабораториях трудно найти черные дыры). Таким образом, группа создала квантовый компьютер, который выполнял вычисления, используя запутанные квантовые биты или кубиты - основную единицу информации, используемую в квантовых вычислениях. Затем они создали простую модель, используя три атомных ядра элемента иттербия, которые все были запутаны друг с другом.
Используя другой внешний кубит, физики смогли определить, когда частицы в трехчастичной системе стали скремблированными, и могли измерить, насколько скремблированными они стали. Что еще более важно, их расчеты показали, что частицы были специально скремблированы друг с другом, а не с другими частицами в окружающей среде, сообщил в интервью журналу Live Science Рафаэль Буссо, физик-теоретик из Беркли из Калифорнии, который не принимал участия в работе.
«Это прекрасное достижение», - добавил он. «Оказывается, что определить, какая из этих вещей на самом деле происходит с вашей квантовой системой, очень трудно».
Результаты показывают, что исследования черных дыр приводят к экспериментам, которые могут исследовать небольшие тонкости в квантовой механике, сказал Буссо, что может помочь в разработке будущих механизмов квантовых вычислений.
