Crne rupe su gravitaciona čudovišta, koja istiskuju plin i prašinu do mikroskopske točke poput velikih kozmičkih kompaktora smeća. Moderna fizika naređuje da se, nakon konzumiranja, informacije o ovoj materiji zauvijek izgube u svemiru. No, novi eksperiment sugerira da bi mogao postojati način korištenja kvantne mehanike da bi se dobio uvid u unutrašnjost crne rupe.
"U kvantnoj fizici, informacije se nikako ne mogu izgubiti", rekao je za Live Science Kevin Landsman, student postdiplomskog studija Zajedničkog kvantnog instituta (JQI) na Sveučilištu Maryland u College Parku. "Umjesto toga, informacije se mogu sakriti ili šifrirati među subatomskim, neraskidivo povezanim česticama.
Landsman i njegovi koautori pokazali su da mogu izmjeriti kada će se i koliko brzo informacije ugurati unutar pojednostavljenog modela crne rupe, pružajući potencijalni zavir u inače neprobojne cjeline. Otkrića koja se danas (6. ožujka) pojavljuju u časopisu Nature mogla bi također pomoći u razvoju kvantnih računala.
Crne rupe beskonačno su guste, beskonačno sitni predmeti formirani od kolapsa divovske, mrtve zvijezde koja je otišla u supernovu. Zbog svog ogromnog gravitacijskog povlačenja usisavaju se u okolni materijal koji nestaje iza onoga što je poznato kao njihov horizont događaja - točke prošlosti iz koje ništa, uključujući svjetlost, ne može pobjeći.
U 1970-im godinama poznati teorijski fizičar Stephen Hawking dokazao je da se crne rupe mogu smanjiti tijekom njihovog životnog vijeka. Prema zakonima kvantne mehanike - pravilima koja diktiraju ponašanje subatomskih čestica na sitnim mjerilima - pari čestica spontano nastaju neposredno izvan horizonta događaja crne rupe. Jedna od tih čestica tada pada u crnu rupu, dok se druga tjera prema van, kradući sićušni osmijeh energije u tom procesu. Tijekom ekstremno dugog vremenskog raspona, troši se dovoljno energije da će crna rupa ispariti, proces poznat kao Hawking zračenje, kako je ranije objavila Live Science.
Ali postoji zagonetka koja se skriva u beskonačno gustom srcu crne rupe. Kvantna mehanika kaže da se podaci o čestici - njezinoj masi, zamahu, temperaturi itd. - nikada ne mogu uništiti. Pravila relativnosti istodobno navode da se čestica koja je zumirala proširio horizont događaja crne rupe spojila s beskonačno gustom drobljenjem u središtu crne rupe, što znači da nikakve informacije o njoj više nikada ne mogu biti ponovno pronađene. Pokušaji da se riješe ovi nespojivi fizički zahtjevi do danas nisu bili uspješni; teoretičari koji su radili na problemu dilemu nazivaju paradoks informacija crne rupe.
U svom novom eksperimentu, Landsman i njegove kolege pokazali su kako da se donekle olakša ovo pitanje pomoću čestice koja leti prema van u zračenju para Hawkinga. Budući da je zapleten sa svojim partnerom koji pada, što znači da je njegovo stanje neraskidivo povezano s onim partnera, mjerenje svojstava jednog može pružiti važne detalje o drugom.
"Može se oporaviti informacija bačena u crnu rupu vršeći se masovnim kvantnim proračunom ovih odlazećih", rekao je u izjavi Norman Yao, fizičar sa Sveučilišta u Kaliforniji, Berkeley i član tima.
Čestice u crnoj rupi sve su svoje podatke kvantno mehanički "izmamile". Odnosno, njihovi se podaci kaotično miješaju na način koji bi onemogućio ikad istjerivanje. No, zapletena čestica koja se u ovom sustavu zbrka može potencijalno proslijediti informacije svom partneru.
To učiniti za crnu rupu u stvarnom svijetu beznadno je komplicirano (a osim toga, u crne rupe je teško doći u laboratorijima fizike). Dakle, grupa je stvorila kvantno računalo koje je izvodilo proračune koristeći zapletene kvantne bite, ili qubite - osnovnu jedinicu informacija koja se koristi u kvantnom računanju. Zatim su postavili jednostavan model koristeći tri atomska jezgra elementa Ytterbium, koja su bila sva isprepletena jedno s drugim.
Pomoću drugog vanjskog kubita, fizičari su bili u stanju odrediti kada se čestice u sustavu s tri čestice mogu usitniti i mogu izmjeriti koliko su postale kodirane. Što je još važnije, njihova su izračunavanja pokazala da su se čestice posebno miješale s drugim česticama u okruženju, rekao je za Live Science Raphael Bousso, teoretski fizičar iz UC Berkeleyja koji nije bio uključen u rad.
"To je prekrasno ostvarenje", dodao je. "Ispada da je razlikovanje toga što se od ovih stvari zapravo događa vašem kvantnom sustavu vrlo težak problem."
Rezultati pokazuju kako studije crnih rupa vode eksperimentima koji mogu ispitati male suptilnosti u kvantnoj mehanici, rekao je Bousso, što bi moglo biti od pomoći u razvoju budućih mehanizama za kvantno računanje.
