Čierne diery sú gravitačné príšery, stlačujú plyn a prach do mikroskopického bodu ako veľké vesmírne kompaktory. Moderná fyzika vyžaduje, aby sa informácie o tejto záležitosti po konzumácii navždy stratili vo vesmíre. Nový experiment však naznačuje, že existuje spôsob, ako použiť kvantovú mechaniku na získanie určitého vhľadu do vnútra čiernej diery.
„V oblasti kvantovej fyziky sa informácie nedajú stratiť,“ povedal Kevin Landsman, absolvent fyziky na Joint Quantum Institute (JQI) na University of Maryland v College Park. „Namiesto toho môžu byť informácie skryté alebo skramblované medzi subatomickými, neoddeliteľne spojenými časticami.
Landsman a jeho spoluautori ukázali, že dokážu zmerať, kedy a ako rýchlo boli informácie zakódované v zjednodušenom modeli čiernej diery, čím sa potenciálne nahliadli do inak nepreniknuteľných entít. Zistenia, ktoré sa dnes objavujú (6. marca) v časopise Nature, by tiež mohli pomôcť pri vývoji kvantových počítačov.
Čierne diery sú nekonečne husté, nekonečne malé objekty, ktoré vznikli zo zrútenia obrovskej mŕtvej hviezdy, ktorá prešla supernovou. Kvôli ich veľkému gravitačnému ťahu nasávajú okolitý materiál, ktorý mizne za tým, čo sa nazýva ich horizont udalostí - za bodom, z ktorého nemôže nič, vrátane svetla, uniknúť.
V sedemdesiatych rokoch slávny teoretický fyzik Stephen Hawking dokázal, že čierne diery sa môžu počas svojej životnosti zmenšovať. Podľa zákonov kvantovej mechaniky - pravidiel, ktoré určujú správanie subatomických častíc v malých mierkach - sa páry častíc spontánne objavujú hneď za horizontom udalostí čiernej diery. Jedna z týchto častíc potom spadne do čiernej diery, zatiaľ čo druhá je poháňaná smerom von, čím sa v tomto procese ukradne malý zápach energie. V extrémne dlhých časových intervaloch sa ukladá dostatok energie na to, aby sa čierna diera vyparila, čo je proces známy ako Hawkingove žiarenie, ako už predtým uviedla spoločnosť Live Science.
Ale v nekonečne hustom srdci čiernej diery sa skrýva hádanka. Kvantová mechanika hovorí, že informácie o častici - jej hmotnosti, hybnosti, teplote atď. - sa nedajú nikdy zničiť. Pravidlá relativity súčasne hovoria, že častica, ktorá sa zväčšila okolo horizontu udalostí čiernej diery, sa spojila s nekonečne hustou rozdrvením v strede čiernej diery, čo znamená, že o nej nie je možné znova získať žiadne informácie. Pokusy vyriešiť tieto nekompatibilné fyzické požiadavky boli doteraz neúspešné; teoretici, ktorí na tomto probléme pracovali, nazývajú dilemou informačný paradox čiernej diery.
V ich novom experimente, Landsman a jeho kolegovia ukázali, ako získať nejakú úľavu v tejto záležitosti pomocou von-lietajúce častice v Hawkingovej radiácii. Pretože je zapletené s inflačným partnerom, čo znamená, že jeho stav je neoddeliteľne spojený so stavom jeho partnera, meranie vlastností jedného môže poskytnúť dôležité informácie o druhom.
„Informácie, ktoré spadli do čiernej diery, je možné získať obrovským kvantovým výpočtom týchto odchádzajúcich,“ uviedol vo vyhlásení Norman Yao, fyzik z Kalifornskej univerzity, Berkeley a člen tímu.
Častice vo vnútri čiernej diery mali všetky svoje informácie kvantovo-mechanicky "zamiešané". To znamená, že ich informácie boli chaoticky zmiešané takým spôsobom, ktorý by znemožňoval ich extrakciu. Avšak zamotaná častica, ktorá sa v tomto systéme rozpadne, by mohla potenciálne odovzdať informácie svojmu partnerovi.
Robiť to pre čiernu dieru v reálnom svete je beznádejne komplikované (a okrem toho, čierne diery sú ťažko dostupné vo fyzických laboratóriách). Skupina vytvorila kvantový počítač, ktorý vykonával výpočty pomocou zapletených kvantových bitov alebo qubitov - základnej jednotky informácií používaných v kvantovom výpočte. Potom zostavili jednoduchý model s použitím troch atómových jadier prvku Ytterbium, ktoré boli navzájom zamotané.
Pomocou iného vonkajšieho priestoru boli fyzici schopní zistiť, kedy sa častice v systéme troch častíc pomiešali a mohli zmerať, ako sa zmenili. Dôležitejšie je, že ich výpočty ukázali, že častice boli špecificky zmiešané so sebou skôr s ostatnými časticami v prostredí, povedal Raphael Bousso, teoretický fyzik UC Berkeley, ktorý sa na práci nezúčastnil.
„Je to úžasný úspech,“ dodal. „Ukazuje sa, že rozlíšenie, ktorá z týchto vecí sa skutočne deje vo vašom kvantovom systéme, je veľmi ťažký problém.“
Výsledky ukazujú, ako štúdie čiernych dier vedú k experimentom, ktoré dokážu zachytiť malé jemnosti v kvantovej mechanike, uviedol Bousso, čo by mohlo byť užitočné pri vývoji budúcich mechanizmov kvantového výpočtu.
