Črne luknje so gravitacijske pošasti, ki stiskajo plin in prah do mikroskopske točke, kot so veliki kozmični kompaktorji smeti. Sodobna fizika narekuje, da bi morale po zaužitju vesolje izgubiti informacije o tej zadevi. Toda nov eksperiment kaže, da bo morda mogoče uporabiti kvantno mehaniko, da bi dobili nekaj vpogleda v notranjost črne luknje.
"V kvantni fiziki informacije nikakor ne moremo izgubiti," je za Live Science povedal Kevin Landsman, študent fizike na Joint Quantum Institute (JQI) na univerzi Maryland v College Park. "Namesto tega se informacije lahko skrijejo ali razširijo med subatomske, neločljivo povezane delce.
Landsman in njegovi soavtorji so pokazali, da lahko izmerijo, kdaj in kako hitro so se informacije popisale znotraj poenostavljenega modela črne luknje, kar je potencialno pokukalo v sicer neopazne subjekte. Ugotovitve, ki se danes (6. marca) pojavljajo v reviji Nature, bi lahko pomagale tudi pri razvoju kvantnih računalnikov.
Črne luknje so neskončno gosti, neskončno majhni predmeti, ki so nastali ob padcu orjaške, mrtve zvezde, ki je šla supernova. Zaradi velikega gravitacijskega vlečenja sesajo okoliški material, ki izgine za tistim, kar je znano kot njihovo obzorje dogodkov - točko mimo katere ne more uiti nič, vključno s svetlobo.
V 70. letih prejšnjega stoletja je slavni teoretični fizik Stephen Hawking dokazal, da se lahko črne luknje skozi življenjsko dobo krčijo. Po zakonih kvantne mehanike - pravilih, ki narekujejo obnašanje subatomskih delcev na drobnih lestvicah - pari delcev spontano nastanejo tik pred obzorjem dogodkov črne luknje. Eden od teh delcev nato pade v črno luknjo, drugi pa se poganja navzven, pri čemer ukrade majhen smidgeon energije. V izredno dolgih časovnih obdobjih se porabi dovolj energije, da črna luknja izhlapi, postopek, znan kot Hawkingova sevanja, kot je že poročala Live Science.
Toda v neskončno gostem srcu črne luknje se skriva utvara. Kvantna mehanika pravi, da podatkov o delcu - njegovi masi, zagonu, temperaturi itd. - nikoli ne moremo uničiti. Pravila relativnosti hkrati navajajo, da se je delček, ki je povečal mimo obzorja dogodka črne luknje, združil z neskončno gostim drobljenjem v središču črne luknje, kar pomeni, da nobenih informacij o njem ni več mogoče najti. Poskusi reševanja teh nezdružljivih fizičnih zahtev doslej niso bili uspešni; teoretiki, ki so delali na težavi, dilemo imenujejo paradoks informacij o črni luknji.
Landsman in njegovi sodelavci so v svojem novem poskusu pokazali, kako se rešiti tega vprašanja s pomočjo zunanjega letečega delca v Hawkingovem radiacijskem paru. Ker je zapleten s svojim padajočim partnerjem, kar pomeni, da je njegovo stanje neločljivo povezano s stanjem partnerja, merjenje lastnosti enega lahko zagotovi pomembne podrobnosti o drugem.
"Človek lahko povrne informacije, padle v črno luknjo, tako da opravi obsežen kvantni izračun teh odhodnih," je v izjavi povedal Norman Yao, fizik na kalifornijski univerzi v Berkeleyju in član ekipe.
Delci znotraj črne luknje so bili vsi njihovi podatki kvantno mehanično "raztreseni". To pomeni, da so bili njihovi podatki kaotično pomešani na način, ki naj ne bi mogel kdaj izsiliti. Toda zapleten delček, ki se v tem sistemu zatakne, lahko informacije posreduje partnerju.
To narediti za črno luknjo v resničnem svetu je brezupno zapleteno (in poleg tega je v laboratorijih fizike težko priti do črnih lukenj). Tako je skupina ustvarila kvantni računalnik, ki je izvajal izračune z uporabo zapletenih kvantnih bitov ali kitov - osnovne enote informacij, ki se uporablja pri kvantnem računanju. Nato so postavili preprost model z uporabo treh atomskih jeder elementa Ytterbium, ki so bila vsa zapletena med seboj.
S pomočjo drugega zunanjega kbita so fiziki lahko ugotovili, kdaj se bodo delci v sistemu s tremi delci zmečkali in so lahko izmerili, kako so postali. Še pomembneje je, da so njihovi izračuni pokazali, da so bili delci konkretno medsebojno pomešani z drugimi delci v okolju, je za Live Science povedal Raphael Bousso, teoretični fizik UC Berkeley, ki ni bil vključen v delo.
"To je čudovit dosežek," je dodal. "Izkazalo se je, da je razlikovanje, katera od teh stvari se dejansko dogaja z vašim kvantnim sistemom, zelo težavna težava."
Rezultati kažejo, kako študije črnih lukenj vodijo k poskusom, ki lahko preizkušajo majhne tankosti v kvantni mehaniki, je dejal Bousso, ki bi lahko postali koristni pri razvoju prihodnjih mehanizmov za kvantno računanje.
