Melnie caurumi ir gravitācijas monstri, izspiežot gāzi un putekļus līdz mikroskopiskam punktam, piemēram, lieliem kosmisko atkritumu tvertnēm. Mūsdienu fizika diktē, ka pēc patērēšanas informācijai par šo lietu vajadzētu uz visiem laikiem pazust Visumam. Bet jauns eksperiments liek domāt, ka varētu būt veids, kā izmantot kvantu mehāniku, lai gūtu nelielu ieskatu melnā cauruma iekšpusē.
"Kvantu fizikā informāciju, iespējams, nevar pazaudēt," Merilendas Universitātes Koledžas parka Apvienotā kvantu institūta (JQI) fizikas maģistrantūras students Kevins Landsmans pastāstīja Live Science. "Tā vietā informāciju var paslēpt vai sašifrēt" starp subatomiskām, nesaraujami saistītām daļiņām.
Landsmans un viņa līdzautori parādīja, ka viņi var izmērīt, kad un cik ātri informācija tiek kodēta vienkāršotā melnā cauruma modelī, nodrošinot potenciālu iespēju palūrēt citādi neizbraucamās vienības. Atklājumi, kas šodien (6. martā) parādās žurnālā Nature, varētu palīdzēt arī kvantu datoru attīstībā.
Melnie caurumi ir bezgalīgi blīvi, bezgala mazi priekšmeti, kas veidojas, sabrūkot milzu, mirušai zvaigznei, kura pārgāja supernovā. Lielās gravitācijas spēka dēļ viņi iesūc apkārtējo materiālu, kas pazūd aiz tā saucamā viņu notikumu horizonta - pagātnes punkta, no kura nekas, ieskaitot gaismu, nevar izbēgt.
Septiņdesmitajos gados slavenais teorētiskais fiziķis Stīvens Hokings pierādīja, ka visu mūžu melnie caurumi var sarukt. Saskaņā ar kvantu mehānikas likumiem - noteikumiem, kas diktē subatomisko daļiņu izturēšanos nelielos mērogos - daļiņu pāri spontāni izlec eksistēt tieši ārpus melnā cauruma notikumu horizonta. Pēc tam viena no šīm daļiņām iekrīt melnajā caurumā, bet otra tiek virzīta uz āru, procesa laikā nozagdama niecīgu enerģijas daudzumu. Īpaši ilgos laika periodos tiek patērēts pietiekami daudz enerģijas, lai melnais caurums iztvaikotu - process, kas pazīstams kā Hokinga starojums, kā iepriekš ziņoja Live Science.
Bet melnā cauruma bezgalīgi blīvajā sirdī slēpjas mīkla. Kvantu mehānika saka, ka informāciju par daļiņu - tās masu, impulsu, temperatūru un tā tālāk - nekad nevar iznīcināt. Relativitātes noteikumi vienlaikus nosaka, ka daļiņa, kas tuvinājusies melnā cauruma notikuma horizontam, ir apvienojusies ar bezgalīgi blīvu simpātiju melnā cauruma centrā, kas nozīmē, ka nekādu informāciju par to vairs nekad nevar iegūt. Mēģinājumi atrisināt šīs nesavienojamās fiziskās prasības līdz šim ir bijuši neveiksmīgi; teorētiķi, kas strādājuši pie problēmas, dilemmu sauc par melnā cauruma informācijas paradoksu.
Savā jaunajā eksperimentā Landsmans un viņa kolēģi parādīja, kā iegūt nelielu atvieglojumu šajā jautājumā, izmantojot uz āru lidojošās daļiņas Hokinga starojuma pārī. Tā kā tas ir sapinušies ar savu ieskaujošo partneri, kas nozīmē, ka tā stāvoklis ir nesaraujami saistīts ar tā partnera stāvokli, tā īpašību mērīšana var sniegt svarīgu informāciju par otru.
"Melnajā caurumā kritušo informāciju var atgūt, veicot apjomīgu kvantu aprēķinu par šīm izejošajām," teikts Kalifornijas universitātes Bērklija universitātes fiziķa un komandas locekļa Normana Yao paziņojumā.
Daļiņām, kas atrodas melnajā caurumā, visa to informācija ir kvantu-mehāniski "sadragāta". Tas ir, viņu informācija ir haotiski sajaukta tādā veidā, ka būtu neiespējami jebkad izraidīt. Bet iepīta daļiņa, kas šajā sistēmā tiek sajaukta, potenciāli var nodot informāciju savam partnerim.
Izdarīt to reālās pasaules melnajā caurumā ir bezcerīgi sarežģīti (un turklāt melnos caurumus grūti atrast fizikas laboratorijās). Tātad grupa izveidoja kvantu datoru, kas veica aprēķinus, izmantojot sapinušos kvantu bitus vai kvitus - informācijas pamatvienību, ko izmanto kvantu skaitļošanā. Pēc tam viņi izveidoja vienkāršu modeli, izmantojot trīs Ytterbium elementa atomu kodolus, kuri visi bija savijušies viens ar otru.
Izmantojot citu ārējo kvadrātu, fiziķi spēja pateikt, kad trīsdaļiņu sistēmā daļiņas ir nodibinājušās, un varēja izmērīt, cik izkliedētas tās kļuvušas. Vēl svarīgāk ir tas, ka viņu aprēķini parādīja, ka daļiņas tika īpaši sajauktas viena ar otru, nevis ar citām vidē esošajām daļiņām, portālam Live Science pastāstīja Rafaels Bousso, UC Berkeley teorētiskais fiziķis, kurš nebija iesaistīts darbā.
"Tas ir brīnišķīgs sasniegums," viņš piebilda. "Izrādās, ka ļoti atšķirīga problēma ir atšķirt, kura no šīm lietām patiesībā notiek ar jūsu kvantu sistēmu."
Rezultāti parāda, kā melno caurumu izpēte noved pie eksperimentiem, kas var zondēt nelielus smalkumus kvantu mehānikā, sacīja Bousso, kas varētu noderēt nākotnes kvantu skaitļošanas mehānismu attīstībā.
