RW Space

Черные дыры — это гравитационные монстры, сжимающие газ и пыль до микроскопической точки. Современная физика требует, чтобы после поглощения информация о веществе она навсегда должна быть потеряна для Вселенной.

Но новый эксперимент показывает, что есть способ использовать квантовую механику, для получения некоторого представления о внутренней части черной дыры.

«В квантовой физике информация не может быть потеряна», — говорит Кевин Лэндсман, аспирант кафедры физики 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 коллеги показали, что они могут измерить, когда и как быстро информация была зашифрована в упрощенной модели черной дыры, обеспечивая видение других непроницаемых объектов. Результаты, опубликованные 6 марта в журнале Nature, также могут помочь в разработке квантовых компьютеров.

Черные дыры — это бесконечно плотные, бесконечно маленькие объекты, образовавшиеся в результате коллапса гигантских звезд, ставших сверхновыми. Из-за их огромного гравитационного притяжения они всасывают окружающий материал, который исчезает за так называемым горизонтом событий — точкой, за которую ничто, включая свет, не может вырваться.

В 1970-х годах известный физик-теоретик Стивен Хокинг доказал, что черные дыры могут сокращаться в течение жизни. Согласно законам квантовой механики — правилам, которые описывают 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, забирая при этом крошечную часть энергии. В течение очень длительных периодов времени накапливается достаточно энергии, чтобы черная дыра испарилась — процесс, известный как излучение Хокинга.

Но в бесконечно плотном сердце черной дыры прячется загадка. Квантовая механика говорит, что информация о частице — ее массе, импульсе, температуре — никогда не может быть уничтожена. Однако правила относительности гласят, что для частицы, которая попала за горизонт событий черной дыры и соединилась с ее бесконечно плотным центром, 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 некоего решения этой проблемы с помощью вылетающей наружу частицы в паре излучения Хокинга. Поскольку состояние вылетающей частицы неразрывно связано с состоянием ее пары, измерение свойств одной может дать важные сведения о другой.

«Информацию, попавшую в черную дыру, можно восстановить, выполнив массивный квантовый расчет этих исходящих [частиц]», — говорится в заявлении Нормана Яо, физика из Калифорнийского университета в Беркли.

У частиц внутри черной дыры вся их информация была квантово-механически «перемешана». То есть, их информация была хаотично перемешана таким образом, что ее невозможно достать. Но одна частица из пары, которая не попала внутрь черной дыры, потенциально может передать информацию своей паре.

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 — базовую единицу информации, используемую в квантовых вычислениях. Затем они создали простую модель, используя три атомных ядра элемента иттербия, которые были связанны друг с другом.

Используя другой внешний кубит, физики смогли определить, когда частицы в трёхчастотной системе стали зашифрованными, и смогли измерить, насколько они зашифрованы. Что еще более важно, их расчеты показали, что частицы были специально смешаны друг с другом, а не с другими частицами в окружающей среде, сообщил Рафаэль Буссо, физик-теоретик из Беркли из Калифорнии, который не участвовал в работе.

«Это прекрасное достижение», — добавил он. «Оказывается, что определить, что на самом деле происходит с вашей квантовой системой, очень трудно».

Результаты показывают, что исследования черных дыр приводят к экспериментам, которые могут помочь в разработке будущих механизмов квантовых вычислений.