Sorte huller er gravitationsmonstre, der presser gas og støv ned til et mikroskopisk punkt som store kosmiske papirkurven. Moderne fysik dikterer, at efter at have været konsumeret, skal information om denne sag for evigt gå tabt for universet. Men et nyt eksperiment antyder, at der måske er en måde at bruge kvantemekanik til at få en vis indsigt i det indre af et sort hul.
"I kvantefysik kan information umuligt gå tabt," fortalte Kevin Landsman, en studerende i fysik ved Joint Quantum Institute (JQI) ved University of Maryland i College Park, til Live Science. "I stedet kan information skjules eller krypteres" blandt subatomære, uløseligt forbundne partikler.
Landsman og hans medforfattere viste, at de kunne måle hvornår og hvor hurtigt information blev krypteret inde i en forenklet model af et sort hul, hvilket gav et potentielt kig ind i de ellers uigennemtrængelige enheder. Resultaterne, der vises i dag (6. marts) i tidsskriftet Nature, kunne også hjælpe med til udviklingen af kvantecomputere.
Sorte huller er uendeligt tætte, uendeligt små genstande dannet fra sammenbruddet af en kæmpe, død stjerne, der gik supernova. På grund af deres massive tyngdekraft suger de ind det omgivende materiale, der forsvinder bag det, der er kendt som deres begivenhedshorisont - det punkt forbi, som intet, inklusive lys, kan undslippe.
I 1970'erne beviste den berømte teoretiske fysiker Stephen Hawking, at sorte huller kan krympe over deres levetid. I henhold til kvantemekanikens love - reglerne, der dikterer opførelsen af subatomære partikler i små skalaer, springer par af partikler spontant ind lige uden for et sort huls begivenhedshorisont. Den ene af disse partikler falder derefter ned i det sorte hul, mens den anden fremdrives udad, og stjæler et lille energikilde i processen. I ekstremt lange tidsforløb hældes der nok energi til, at det sorte hul vil fordampe, en proces, der kaldes Hawking-stråling, som Live Science tidligere har rapporteret.
Men der er et conundrum, der gemmer sig i det sorte huls uendeligt tætte hjerte. Kvantemekanik siger, at information om en partikel - dens masse, momentum, temperatur og så videre - aldrig kan ødelægges. Relativitetsreglerne siger samtidig, at en partikel, der har zoomet forbi et sorte huls begivenhedshorisont, er forbundet med den uendeligt tætte knus i midten af det sorte hul, hvilket betyder, at ingen information om det nogensinde kan hentes igen. Forsøg på at løse disse uforenelige fysiske krav har hidtil ikke været succesrige; teoretikere, der har arbejdet med problemet, kalder dilemmaet informationsparadokset med sorte huler.
I deres nye eksperiment viste Landsman og hans kolleger, hvordan man kunne få lidt lettelse for dette problem ved hjælp af den udadgående partikel i et Hawking-strålingspar. Fordi det er sammenfiltret med sin infalling partner, hvilket betyder, at dens tilstand er uløseligt forbundet med den af sin partner, kan måling af egenskaberne ved den ene give vigtige detaljer om den anden.
”Man kan gendanne de oplysninger, der er faldet ned i det sorte hul ved at foretage en massiv kvanteberegning på disse udadvendte,” sagde Norman Yao, en fysiker ved University of California, Berkeley, og et medlem af holdet, i en erklæring.
Partiklerne inde i et sort hul har fået al deres information kvantemekanisk "krypteret". Det vil sige, deres oplysninger er blevet kaotisk blandet sammen på en måde, der skulle gøre det umuligt at nogensinde komprimeres. Men en sammenfiltret partikel, der bliver blandet sammen i dette system, kan potentielt videregive information til sin partner.
At gøre dette for et ægte sort hul er håbløst kompliceret (og desuden er sorte huller svære at komme forbi i fysiklaboratorier). Så gruppen skabte en kvantecomputer, der udførte beregninger ved hjælp af sammenfiltrede kvantebits eller qubits - den basale enhed af information, der blev brugt i kvanteberegning. De satte derefter op en simpel model ved hjælp af tre atomkerner fra elementet Ytterbium, som alle var sammenfiltret med hinanden.
Ved hjælp af en anden ekstern qubit kunne fysikerne fortælle, hvornår partikler i det tre-partikelsystem blev forvrænget og kunne måle, hvor forvrænget de blev. Mere vigtigt var, at deres beregninger viste, at partiklerne specifikt var sammenkrævede med hinanden snarere med andre partikler i miljøet, fortalte Raphael Bousso, en UC Berkeley teoretisk fysiker, der ikke var involveret i arbejdet, til Live Science.
”Det er en vidunderlig bedrift,” tilføjede han. "Det viser sig, at det er et meget vanskeligt problem at skelne mellem hvilke af disse ting, der faktisk sker med dit kvantesystem."
Resultaterne viser, hvordan undersøgelser af sorte huller fører til eksperimenter, der kan undersøge små subtiliteter inden for kvantemekanik, sagde Bousso, hvilket kan blive nyttigt i udviklingen af fremtidige kvanteberegningsmekanismer.
