Vlad Krasen
0 
4071
292
Czarne dziury to grawitacyjne potwory, ściskające gaz i pył do mikroskopijnego punktu, jak wielkie kosmiczne zgniatarki śmieci. Współczesna fizyka mówi, że po skonsumowaniu informacje o tej materii powinny zostać na zawsze utracone dla wszechświata. Jednak nowy eksperyment sugeruje, że może istnieć sposób wykorzystania mechaniki kwantowej do uzyskania pewnego wglądu we wnętrze czarnej dziury.
„W fizyce kwantowej nie można utracić informacji” - powiedział Kevin Landsman, absolwent fizyki w Joint Quantum Institute (JQI) na Uniwersytecie Maryland w College Park. „Zamiast tego informacje mogą być ukryte lub zaszyfrowane” wśród subatomowych, nierozerwalnie połączonych cząstek.
Landsman i jego współautorzy wykazali, że potrafili zmierzyć, kiedy i jak szybko informacje zostały zaszyfrowane wewnątrz uproszczonego modelu czarnej dziury, dając potencjalny wgląd w nieprzeniknione byty w inny sposób. Odkrycia, które ukazały się dzisiaj (6 marca) w czasopiśmie Nature, mogą również pomóc w opracowaniu komputerów kwantowych. [Najbardziej odległe pomysły Stephena Hawkinga na temat czarnych dziur]
Czarne dziury to nieskończenie gęste, nieskończenie małe obiekty powstałe w wyniku zapadnięcia się gigantycznej, martwej gwiazdy, która stała się supernową. Ze względu na swoje ogromne przyciąganie grawitacyjne zasysają otaczający materiał, który znika za tak zwanym horyzontem zdarzeń - punktem, za którym nic, łącznie ze światłem, nie może uciec.
W latach 70-tych słynny fizyk teoretyczny Stephen Hawking udowodnił, że czarne dziury mogą się kurczyć w ciągu swojego życia. Zgodnie z prawami mechaniki kwantowej - zasadami, które dyktują zachowanie cząstek subatomowych w małych skalach - pary cząstek spontanicznie powstają tuż za horyzontem zdarzeń czarnej dziury. Jedna z tych cząstek wpada następnie do czarnej dziury, a druga jest wyrzucana na zewnątrz, kradnąc przy tym maleńki kawałek energii. W niezwykle długich skalach czasowych, wystarczająca ilość energii jest okradana, aby czarna dziura wyparowała, proces znany jako promieniowanie Hawkinga, jak wcześniej informowano.
Ale w nieskończenie gęstym sercu czarnej dziury kryje się zagadka. Mechanika kwantowa mówi, że informacje o cząstce - jej masie, pędzie, temperaturze i tak dalej - nigdy nie mogą zostać zniszczone. Reguły względności stwierdzają jednocześnie, że cząstka, która przemknęła poza horyzont zdarzeń czarnej dziury, połączyła się z nieskończenie gęstym zgniotem w centrum czarnej dziury, co oznacza, że nie można już odzyskać żadnych informacji na jej temat. Próby rozwiązania tych niezgodnych wymagań fizycznych kończyły się dotychczas niepowodzeniem; teoretycy, którzy pracowali nad tym problemem, nazywają ten dylemat paradoksem informacji o czarnej dziurze.
W swoim nowym eksperymencie Landsman i jego koledzy pokazali, jak uzyskać ulgę w tym problemie, używając cząstki lecącej na zewnątrz w parze promieniowania Hawkinga. Ponieważ jest on splątany ze swoim niepowodzącym partnerem, co oznacza, że jego stan jest nierozerwalnie związany ze stanem jego partnera, pomiar właściwości jednego może dostarczyć ważnych informacji o drugim.
„Można odzyskać informacje, które wpadły do czarnej dziury, wykonując ogromne obliczenia kwantowe tych wychodzących [cząstek]” - powiedział w oświadczeniu Norman Yao, fizyk z University of California w Berkeley i członek zespołu.
Wszystkie informacje cząsteczek wewnątrz czarnej dziury zostały zakodowane mechanicznie kwantowo. Oznacza to, że ich informacje zostały chaotycznie wymieszane ze sobą w sposób, który powinien uniemożliwić ich wydobycie. Ale splątana cząstka, która zostanie 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 fizycznych). Dlatego grupa stworzyła komputer kwantowy, który wykonywał obliczenia przy użyciu splątanych bitów kwantowych lub kubitów - podstawowej jednostki informacji używanej w obliczeniach kwantowych. Następnie stworzyli prosty model wykorzystujący trzy jądra atomowe pierwiastka Ytterb, które były ze sobą splątane.
Korzystając z innego zewnętrznego kubitu, fizycy byli w stanie stwierdzić, kiedy cząstki w układzie trójcząstkowym zostały pomieszane, i mogli zmierzyć, jak bardzo się pomieszali. Co ważniejsze, ich obliczenia wykazały, że cząstki były specjalnie wymieszane ze sobą, a raczej z innymi cząsteczkami w środowisku, powiedział Raphael Bousso, fizyk teoretyczny z UC Berkeley, który nie był zaangażowany w prace. .
„To wspaniałe osiągnięcie” - dodał. „Okazuje się, że rozróżnienie, które z tych rzeczy faktycznie dzieją się w waszym układzie kwantowym, jest bardzo trudnym problemem”.
Wyniki pokazują, w jaki sposób badania czarnych dziur prowadzą do eksperymentów, które mogą sondować małe subtelności w mechanice kwantowej, powiedział Bousso, co może być pomocne w rozwoju przyszłych mechanizmów kwantowych..
- 18 największych nierozwiązanych tajemnic fizyki
- Co to jest? Odpowiedzi na pytania dotyczące fizyki
- 18 razy cząstki kwantowe rozwiały nasze umysły
Pierwotnie opublikowano w dniu .