Черные дыры – это настоящие гравитационные чудовища, сжимающие газ и пыль до крошечных частиц, наподобие космического уплотнителя мусора. В рамках современной физики принято верить, что все, что попадает в дыру, навсегда становится потеряно для вселенной. Но последние эксперименты демонстрируют, что, возможно, имеется способ заглянуть внутрь черной дыры с помощью квантовой механики.
Информация не утрачивается
«В квантовой физике данные не могут быть безвозвратно утрачены, — сообщает Кевин Лэндсман, физик, выпускник Joint Quantum Institute в штате Мериленд в своем интервью для Live Science. – Вместо этого информация может быть спрятана или закодирована среди субатомных неразрывно связанных частиц».
Лэндсман и его коллеги продемонстрировали, что они могут измерить, когда и с какой скоростью информация шифруется внутри упрощенной модели черной дыры. Иным способом эту сущность исследовать нельзя. Открытия ученых, которые были опубликованы 6 марта в журнале Nature, могут также быть полезны в разработке квантовых компьютеров.
Черная дыра
Черные дыры – это чрезвычайно плотные и сравнительно маленькие объекты, образующиеся после взрыва сверхгиганта, который впоследствии стал сверхновой. Их мощнейшая гравитация позволяет затягивать любую находящуюся поблизости субстанцию. Она затем оказывается за пределами условной линии – так называемого горизонта событий или точки невозврата. Оказавшись за этой условной границей, ничто не может вернуться из пределов черной дыры, включая свет.
Однако В 70-х годах знаменитый физик-теоретик Стивен Хокинг установил, что черные дыры могут уменьшаться с течением времени. Для исследований этого явления используются законы квантовой механики – правила, которые диктуют поведение субатомных частиц.
Излучение Хокинга
Итак, почему же черные дыры могут уменьшаться в размерах со временем? Дело в том, что пары частиц спонтанно формируются возле горизонта событий черной дыры. Одна из них попадает внутрь нее, в то время как другая преодолевает горизонт и выходит наружу, «крадя» с собой частичку энергии дыр. По истечении весьма продолжительного периода черная дыра «испаряется» таким образом. Это процесс получил название в честь великого физика — излучение Хокинга.
Но в экстремально плотном нутре черной дыры скрывается загадка. Квантовая механика утверждает, что информация о частице – ее температуре, импульсе, массе и так далее – не может быть уничтожена. В то же время правила теории относительности постулируют, что частица, которая миновала горизонт событий, «врезается» в этот сверхплотный центр черной дыры в результате невероятного притяжения, а значит, никакая информация о ней не может быть воскрешена.
Квантовая связь частиц
Попытки разрешить эту дилемму физики были до сегодняшнего дня безуспешным. Ученые-теоретики, работающие над этим противоречием, называют его информационным парадоксом черной дыры.
Но последние исследования физиков выглядят обнадеживающими. В своем новом эксперименте Лэндсман и другие эксперты показали, как можно решить эту проблему с помощью частицы, покидающей черную дыру. Поскольку она связана со своей «сестрой», которая остается в пределах дыры, изучение первой, «ускользнувшей» частицы позволяет собрать квантовые данные о второй.
«Информацию, которая оказалась внутри дыры, можно получить с помощью обширных квантовых вычислений, примененных по отношению к другой частице», — сообщает Норман Яо, физик из Калифорнийского университета и один из участников эксперимента.
У частиц, которые остаются в черной дыре, вся информация кодируется с помощью квантовой механики. Эта информация оказывается беспорядочно перемешана, поэтому ее невозможно вычленить. Но частицы потенциально способны передавать информацию своим «партнерам».
Эксперимент ученых
Это крайне сложно применить по отношению к настоящей дыре. Кроме того, воспроизвести ее условия в лабораторных условиях тоже тяжело. Поэтому группа ученых создала квантовый компьютер, который производит вычисления, используя кубиты – базовые частицы информации, применяемые в квантовом программировании. Для эксперимента была использована простая модель трех ядер атома элемента иттербий, в котором все частицы были связаны друг с другом.
Используя внешний кубит, физики сумели вычислить момент, когда частицы в модели иттербия были закодированы, и смогли установить, каким образом. Что не менее значимо, их подсчеты показали, что частицы соединены между собой, а не смешиваются с другими частицами вокруг, отмечает Рафаэль Буссо, физик-теоретик, который не был задействован в эксперименте.
Значение открытия
«Это удивительное достижение, — добавил Буссо. – Оказалось, понять, что именно происходит с конкретной квантовой системой, — это очень сложная проблема».
Исследования черных дыр включают эксперименты по изучению нюансов квантовой механики, отметил также Буссо. Это важный шаг на пути к созданию квантовых компьютеров будущего.