Чорні діри - це гравітаційні монстри, що видавлюють газ і пил до мікроскопічної точки, як великі космічні ущільнювачі сміття. Сучасна фізика диктує, що після її споживання інформація про цю речовину повинна бути назавжди втрачена у Всесвіті. Але новий експеримент припускає, що може бути спосіб використовувати квантову механіку, щоб отримати деяке уявлення про внутрішність чорної діри.
"У квантовій фізиці інформація неможливо втратити", - розповів Live Science Кевін Ландсман, аспірант фізичного факультету Об'єднаного квантового інституту (JQI) Університету Меріленда в коледж-парку. "Натомість, інформацію можна приховати або скремтувати" серед субатомних, нерозривно пов'язаних частинок.
Землевласник та його співавтори показали, що вони можуть виміряти, коли і як швидко інформація пробирається всередині спрощеної моделі чорної діри, надаючи потенційний погляд на інакше непроникні сутності. Висновки, які з’являються сьогодні (6 березня) у журналі Nature, також можуть допомогти у розвитку квантових комп'ютерів.
Чорні діри - це нескінченно щільні, нескінченно дрібні предмети, утворені від обвалу гігантської мертвої зірки, яка пішла надновою. Через їх масивне гравітаційне тяжіння вони всмоктуються в навколишній матеріал, який зникає за тим, що називається їх горизонтом подій - точкою минулого, з якої нічого, в тому числі світла, не може вийти.
У 1970-ті роки відомий фізик-теоретик Стівен Хокінг довів, що чорні діри можуть скорочуватися протягом життя. Відповідно до законів квантової механіки - правил, що диктують поведінку субатомних частинок на крихітних масштабах - пари частинок мимовільно виникають просто поза горизонтом подій чорної діри. Тоді одна з цих частинок потрапляє в чорну діру, а інша висувається назовні, вкрадаючи крихітний змігтон енергії в процесі. Протягом надзвичайно тривалих часових масштабів витрачається достатня кількість енергії, щоб чорна діра випарувалася - процес, відомий як радіація Хокінга, як раніше повідомляла Live Science.
Але є головоломка, що ховається в нескінченно щільному серці чорної діри. Квантова механіка каже, що інформацію про частинку - її масу, імпульс, температуру тощо - ніколи не можна знищити. Правила відносності одночасно стверджують, що частинка, яка збільшила масштаб повз горизонт подій чорної діри, з'єдналася з нескінченно щільною роздавленою в центрі чорної діри, а це означає, що жодної інформації про неї більше не можна отримати знову. Спроби вирішити ці несумісні фізичні вимоги на сьогоднішній день були невдалими; теоретики, які працювали над проблемою, називають дилему інформаційним парадоксом чорної діри.
У своєму новому експерименті Ландсман та його колеги показали, як можна отримати полегшення щодо цієї проблеми, використовуючи частину, що летить назовні, в радіаційній парі Хокінга. Оскільки він заплутався зі своїм падаючим партнером, це означає, що його стан нерозривно пов'язаний із станом свого партнера, вимірювання властивостей одного може дати важливі деталі щодо іншого.
"Можна відновити інформацію, що потрапила в чорну діру, виконавши масштабний квантовий підрахунок цих вихідних", - йдеться в повідомленні Нормана Яо, фізика Каліфорнійського університету, Берклі та члена команди.
Частинки всередині чорної діри всю їхню інформацію квантово-механічно "скрутили". Тобто, їх інформація хаотично змішується між собою таким чином, що має унеможливити коли-небудь вилучення. Але заплутана частинка, яка зірветься в цій системі, потенційно може передавати інформацію своєму партнеру.
Робити це для чорної діри в реальному світі безперспективно (і до того ж чорні діри важко обходити в лабораторіях фізики). Так група створила квантовий комп'ютер, який виконував обчислення, використовуючи заплутані квантові біти, або кубіти - основну одиницю інформації, що використовується в квантових обчисленнях. Потім вони створили просту модель, використовуючи три атомних ядра елемента Іттербій, які були заплутані між собою.
Використовуючи інший зовнішній кубіт, фізики змогли визначити, коли частинки в тричастинковій системі стали скремблировані і могли виміряти, наскільки вони стали. Що ще важливіше, їхні розрахунки показали, що частинки були спеціально змішані між собою, а не з іншими частинками навколишнього середовища, - сказав Рафаель Буссо, теоретичний фізик UC Berkeley, який не брав участі в роботі, розповів Live Science.
"Це прекрасне досягнення", - додав він. "Виявляється, розрізнити, що з цих речей насправді відбувається з вашою квантовою системою, - дуже складна проблема".
Результати показують, як дослідження чорних дір призводять до експериментів, які можуть досліджувати невеликі тонкощі квантової механіки, сказав Буссо, які можуть стати корисними у розробці майбутніх механізмів квантових обчислень.
