Οι μαύρες τρύπες είναι βαρυτικά τέρατα, συμπιέζοντας το αέριο και τη σκόνη σε ένα μικροσκοπικό σημείο, όπως τα μεγάλα συμπαγή συμπαγή σκουπίδια. Η σύγχρονη φυσική υπαγορεύει ότι, μετά την κατανάλωσή τους, οι πληροφορίες για το θέμα αυτό πρέπει να χαθούν για πάντα στο σύμπαν. Αλλά ένα νέο πείραμα δείχνει ότι μπορεί να υπάρχει ένας τρόπος για να χρησιμοποιήσετε την κβαντική μηχανική για να αποκτήσετε κάποια εικόνα στο εσωτερικό μιας μαύρης τρύπας.
"Στην κβαντική φυσική, οι πληροφορίες δεν μπορούν να χαθούν», δήλωσε στο Live Science ο Kevin Landsman, φοιτητής φυσικής στο Joint Quantum Institute (JQI) στο Πανεπιστήμιο του Maryland στο College Park. "Αντ 'αυτού, οι πληροφορίες μπορούν να κρυφτούν ή να αποκρυπτογραφηθούν" ανάμεσα στα υποατομικά, άρρηκτα συνδεδεμένα σωματίδια.
Ο Landsman και οι συν-συγγραφείς του έδειξαν ότι θα μπορούσαν να μετρήσουν πότε και πόσο γρήγορα οι πληροφορίες ήταν κωδικοποιημένες μέσα σε ένα απλοποιημένο μοντέλο μιας μαύρης τρύπας, παρέχοντας μια πιθανή ματιά στα αλλιώς αδιαπέραστα οντότητες. Τα ευρήματα που εμφανίζονται σήμερα (6 Μαρτίου) στο περιοδικό Nature, θα μπορούσαν επίσης να βοηθήσουν στην ανάπτυξη κβαντικών υπολογιστών.
Οι μαύρες τρύπες είναι απεριόριστα πυκνά, απείρως μικρά αντικείμενα που σχηματίζονται από την κατάρρευση ενός γιγαντιαίου νεκρού αστέρα που πήγε στη σουπερνόβα. Λόγω της τεράστιας βαρυτικής τους έλξης, αναρροφούν το περιβάλλον υλικό, το οποίο εξαφανίζεται πίσω από αυτό που είναι γνωστό ως ορίζοντας του γεγονότος - το σημείο πέρα από το οποίο δεν μπορεί να διαφύγει τίποτα, συμπεριλαμβανομένου του φωτός.
Στη δεκαετία του 1970, ο διάσημος θεωρητικός φυσικός Stephen Hawking απέδειξε ότι οι μαύρες τρύπες μπορούν να συρρικνωθούν κατά τη διάρκεια των ζωών τους. Σύμφωνα με τους νόμους της κβαντικής μηχανικής - τους κανόνες που υπαγορεύουν τη συμπεριφορά των υποατομικών σωματιδίων σε μικροσκοπικές κλίμακες - τα ζεύγη σωματιδίων εμφανίζονται αυθόρμητα στην ύπαρξη λίγο έξω από τον ορίζοντα γεγονότος της μαύρης τρύπας. Ένα από αυτά τα σωματίδια στη συνέχεια πέφτει στη μαύρη τρύπα, ενώ το άλλο προωθείται προς τα έξω, κλέβοντας ένα μικροσκοπικό smidgeon ενέργειας στη διαδικασία. Σε εξαιρετικά μεγάλα χρονοδιαγράμματα, αποβάλλεται αρκετή ενέργεια ώστε η μαύρη τρύπα να εξατμιστεί, μια διαδικασία γνωστή ως ακτινοβολία Hawking, όπως έχει ήδη αναφέρει η Live Science.
Αλλά υπάρχει ένα αίνιγμα που κρύβεται στην άπειρη πυκνή καρδιά της μαύρης τρύπας. Η κβαντική μηχανική λέει ότι οι πληροφορίες σχετικά με ένα σωματίδιο - τη μάζα, την ορμή, τη θερμοκρασία και ούτω καθεξής - δεν μπορούν ποτέ να καταστραφούν. Οι κανόνες της σχετικότητας ταυτόχρονα δηλώνουν ότι ένα σωματίδιο που έχει σμίκρυνε πέρα από έναν ορίζοντα γεγονότος της μαύρης τρύπας έχει ενωθεί με την άπειρη πυκνή σύνθλιψη στο κέντρο της μαύρης τρύπας, πράγμα που σημαίνει ότι καμία πληροφορία για αυτό δεν μπορεί ποτέ να ανακτηθεί ξανά. Οι προσπάθειες επίλυσης αυτών των ασυμβίβαστων φυσικών απαιτήσεων έχουν αποτύχει μέχρι σήμερα. οι θεωρητικοί που έχουν εργαστεί στο πρόβλημα, καλούν το δίλημμα το παράδοξο πληροφοριών για την μαύρη τρύπα.
Στο νέο πείραμά τους, ο Landsman και οι συνάδελφοί του έδειξαν πώς να πάρουν κάποια ανακούφιση για αυτό το ζήτημα χρησιμοποιώντας το σωματίδιο που πετάει προς τα έξω σε ένα ζευγάρι ακτινοβολίας Hawking. Επειδή εμπλέκεται με τον παθιασμένο συνεργάτη, που σημαίνει ότι η κατάσταση του είναι άρρηκτα συνδεδεμένη με αυτή του συνεργάτη του, η μέτρηση των ιδιοτήτων ενός μπορεί να παρέχει σημαντικές λεπτομέρειες για το άλλο.
"Κάποιος μπορεί να ανακτήσει τις πληροφορίες που έπεσαν στη μαύρη τρύπα κάνοντας ένα τεράστιο κβαντικό υπολογισμό για αυτούς τους εξερχόμενους", δήλωσε ο Norman Yao, φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας, Berkeley και μέλος της ομάδας.
Τα σωματίδια μέσα σε μια μαύρη τρύπα είχαν όλες τις πληροφορίες τους κβαντομηχανικά "κρυπτογραφημένες". Δηλαδή, οι πληροφορίες τους έχουν αναμειχθεί χαστικά μαζί με τρόπο που θα πρέπει να καταστήσει αδύνατο να απελευθερωθεί ποτέ. Αλλά ένα μπλεγμένο σωματίδιο που ανακατεύεται σε αυτό το σύστημα θα μπορούσε ενδεχομένως να περάσει πληροφορίες στον συνεργάτη του.
Κάνοντας αυτό για μια πραγματική μαύρη τρύπα είναι απελπιστικά περίπλοκη (και εκτός αυτού, οι μαύρες τρύπες είναι δύσκολο να έρθουν κοντά στα εργαστήρια φυσικής). Έτσι, η ομάδα δημιούργησε έναν κβαντικό υπολογιστή που πραγματοποίησε υπολογισμούς χρησιμοποιώντας εμπλεγμένα κβαντικά κομμάτια, ή qubits - τη βασική μονάδα πληροφοριών που χρησιμοποιείται στον κβαντικό υπολογισμό. Στη συνέχεια, έθεσαν σε λειτουργία ένα απλό μοντέλο χρησιμοποιώντας τρεις ατομικούς πυρήνες του στοιχείου Ytterbium, οι οποίοι ήταν όλοι εμπλεγμένοι μεταξύ τους.
Χρησιμοποιώντας ένα άλλο εξωτερικό qubit, οι φυσικοί ήταν σε θέση να καταλάβουν πότε τα σωματίδια στο σύστημα των τριών σωματιδίων έγιναν κωδικοποιημένα και μπορούσαν να μετρήσουν τον τρόπο με τον οποίο έγιναν ανακατώματα. Το πιο σημαντικό είναι ότι οι υπολογισμοί τους έδειξαν ότι τα σωματίδια ήταν συγκεκαλυμμένα μεταξύ τους μάλλον με άλλα σωματίδια στο περιβάλλον, ο Raphael Bousso, ένας θεωρητικός φυσικός του UC Berkeley που δεν συμμετείχε στην εργασία, είπε στη Live Science.
"Είναι ένα θαυμάσιο επίτευγμα", πρόσθεσε. "Αποδεικνύεται ότι το να διακρίνετε ποια από αυτά τα πράγματα συμβαίνουν στην πραγματικότητα στο κβαντικό σας σύστημα είναι ένα πολύ δύσκολο πρόβλημα".
Τα αποτελέσματα δείχνουν πώς οι μελέτες των μαύρων οπών οδηγούν σε πειράματα που μπορούν να διερευνήσουν μικρές λεπτές αποχρώσεις στην κβαντική μηχανική, δήλωσε ο Bousso, η οποία θα μπορούσε να βοηθήσει στην ανάπτυξη μελλοντικών μηχανισμών κβαντικών υπολογισμών.
