Černé díry jsou gravitační příšery, stlačující plyn a prach až do mikroskopického bodu jako velké kosmické kompaktory. Moderní fyzika diktuje, že po konzumaci by informace o této záležitosti měly být navždy ztraceny ve vesmíru. Nový experiment však naznačuje, že existuje způsob, jak využít kvantovou mechaniku k získání určitého vhledu do vnitřku černé díry.
"V kvantové fyzice nelze informace ztratit," řekl Kevin Landsman, absolvent fyziky na Joint Quantum Institute (JQI) na University of Maryland v College Park, Live Science. „Místo toho mohou být informace skryté nebo skramblované mezi subatomickými, neoddělitelně spojenými částicemi.
Landsman a jeho spoluautoři ukázali, že dokáží měřit, kdy a jak rychle byly informace zašifrovány uvnitř zjednodušeného modelu černé díry, což potenciálně nahlédlo do jinak neproniknutelných entit. Zjištění, která se objevují dnes (6. března) v časopise Nature, by také mohla pomoci při vývoji kvantových počítačů.
Černé díry jsou nekonečně husté, nekonečně malé předměty vytvořené z kolapsu obří, mrtvé hvězdy, která šla supernova. Kvůli jejich masivnímu gravitačnímu tahu nasávají okolní materiál, který mizí za tím, co se nazývá jejich horizont událostí - za bodem, ze kterého nemůže uniknout nic, včetně světla.
V sedmdesátých letech minulého století slavný teoretický fyzik Stephen Hawking dokázal, že černé díry se mohou během svých životů zmenšovat. Podle zákonů kvantové mechaniky - pravidel, která diktují chování subatomových částic v malých měřítcích - se páry částic spontánně objevují těsně za horizontem události černé díry. Jedna z těchto částic poté spadne do černé díry, zatímco druhá je vytlačena ven a ukradne drobný zápach energie v procesu. Během extrémně dlouhých časových harmonogramů se ukládá dost energie, aby se černá díra vypařila, což je proces známý jako Hawkingovo záření, jak již dříve oznámila Live Science.
Ale v nekonečně hustém srdci černé díry se skrývá hádanka. Kvantová mechanika říká, že informace o částici - její hmotnosti, hybnosti, teplotě atd. - nemohou být nikdy zničeny. Pravidla relativity současně uvádějí, že částice, která se přiblížila kolem horizontu události černé díry, se spojila s nekonečně hustou tlapou ve středu černé díry, což znamená, že žádné informace o ní nelze nikdy znovu získat. Pokusy o vyřešení těchto neslučitelných fyzických požadavků byly dosud neúspěšné; teoretici, kteří na tomto problému pracovali, nazývají dilema informační paradox černé díry.
V jejich novém experimentu, Landsman a jeho kolegové ukázali, jak získat určitou úlevu pro tento problém s použitím částice směřující ven v Hawkingově radiačním páru. Protože je zapleteno se svým padajícím partnerem, což znamená, že jeho stav je neoddělitelně spjat se stavem jeho partnera, měření vlastností jednoho může poskytnout důležité podrobnosti o druhém.
„Informace, které spadly do černé díry, lze obnovit masivním kvantovým výpočtem těchto odchozích,“ uvedl Norman Yao, fyzik z Kalifornské univerzity, Berkeley a člen týmu.
Částice uvnitř černé díry mají všechny své informace kvantově-mechanicky "zakódované". To znamená, že jejich informace byly chaoticky smíchány dohromady takovým způsobem, který by znemožňoval jejich vytržení. Ale zamotaná částice, která se v tomto systému rozpadne, by mohla potenciálně předat informace svému partnerovi.
Dělat to pro černou díru v reálném světě je beznadějně komplikované (a kromě toho je černé díry ve fyzických laboratořích obtížné). Skupina tedy vytvořila kvantový počítač, který provedl výpočty pomocí zapletených kvantových bitů nebo qubits - základní jednotky informací používaných v kvantovém zpracování. Poté vytvořili jednoduchý model, který použil tři atomová jádra prvku Ytterbium, které byly všechny vzájemně zamotané.
Pomocí jiného vnějšího quittu byli fyzici schopni zjistit, kdy se částice v systému tří částic částice promíchaly a mohly měřit, jak se zakódovaly. Ještě důležitější je, že jejich výpočty ukázaly, že částice byly specificky míchány navzájem spíše s jinými částicemi v prostředí, řekl Raphael Bousso, teoretický fyzik UC Berkeley, který se práce nezúčastnil, řekl Live Science.
„Je to skvělý úspěch,“ dodal. "Ukázalo se, že rozlišování, které z těchto věcí se ve skutečnosti děje ve vašem kvantovém systému, je velmi obtížný problém."
Výsledky ukazují, jak studie černých děr vedou k experimentům, které mohou sondovat malé jemnosti v kvantové mechanice, řekl Bousso, což by mohlo být užitečné při vývoji budoucích kvantově-výpočetních mechanismů.
