Черные дыры - это гравитационные монстры, сжимающие газ и пыль до микроскопической точки, как большие космические мусорные компакторы. Новый эксперимент предполагает получить некоторое представление о внутренней части черной дыры с использованием квантовой механики.
Физики считают, что в квантовой физике информация не может быть потеряна. Вместо этого информация может быть скрыта или скремблирована между субатомными, неразрывно связанными частицами.
Ученые показали, что они могут измерить, когда и как быстро информация была скремблирована внутри упрощенной модели черной дыры, обеспечивая потенциальный взгляд в непроницаемые объекты.
Черные дыры - это бесконечно плотные, бесконечно маленькие объекты, образовавшиеся в результате коллапса гигантской мертвой звезды, которая стала сверхновой. Из-за их массивного гравитационного притяжения они всасывают окружающий материал, который исчезает за так называемым горизонтом событий, точкой, мимо которой ничто, включая свет, не может убежать.
В 1970-х годах известный физик-теоретик Стивен Хокинг доказал, что черные дыры могут сжиматься в течение своей жизни. Согласно законам квантовой механики - правилам, которые диктуют поведение субатомных частиц в крошечных масштабах - пары частиц самопроизвольно возникают за пределами горизонта событий черной дыры.
Одна из этих частиц затем падает в черную дыру, в то время как другая выталкивается наружу, крадя крошечный кусочек энергии в процессе. В течение чрезвычайно длительных периодов времени будет похищено достаточно энергии, чтобы черная дыра испарилась. Это процесс, известный как излучение Хокинга.
Но есть загадка, скрывающаяся в бесконечно плотном сердце черной дыры. Квантовая механика говорит, что информация о частице - ее массе, импульсе, температуре и так далее - никогда не может быть уничтожена.
Правила относительности одновременно утверждают, что частица, которая прошла мимо горизонта событий черной дыры, соединилась с бесконечно плотной толкотней в центре черной дыры, что означает, что никакая информация о ней не может быть получена снова.
На сегодняшний день попытки устранить эти несовместимые физические требования не увенчались успехом. Теоретики, работавшие над этой проблемой, называют дилемму информационным парадоксом черной дыры.
В своем новом эксперименте Ландсман и его коллеги показали, как получить некоторое облегчение для этой проблемы, используя частицу, летящую наружу, в паре излучения Хокинга. Поскольку он связан со своим непогрешимым партнером, то есть его состояние неразрывно связано с состоянием его партнера, измерение свойств одного может обеспечить важные детали о другом.
По мнению физиков Калифорнийского университета в Беркли, можно восстановить информацию, упавшую в черную дыру, выполнив массивный квантовый расчет на этих исходящих.
Частицы внутри черной дыры были хаотично смешаны таким образом, что это должно сделать невозможным когда-либо выбраться. Но запутанная частица, запутавшаяся в этой системе, потенциально может передать информацию своему партнеру.
Делать это в реальной черной дыре безнадежно сложно и, кроме того, черные дыры трудно найти в физических лабораториях. 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 были связаны друг с другом.
Используя другой внешний кубит, физики смогли определить, когда частицы в трехчастичной системе стали скремблированными и могли измерить, насколько они скремблировали. Что еще более важно, их расчеты показали, что частицы были специально скремблированы друг с другом, а не с другими частицами в окружающей среде.
Результаты показывают, как исследования черных дыр приводят к экспериментам, которые могут исследовать небольшие тонкости в квантовой механике, которые, как считают ученые, могут стать полезными в разработке будущих квантовых вычислительных механизмов.
