A fekete lyukak gravitációs szörnyek, amelyek a gázt és a port mikroszkopikus pontig nyomják le, mint a nagy kozmikus szemetes tömörítők. A modern fizika azt diktálja, hogy fogyasztásuk után az ezzel kapcsolatos információt örökre el kell veszíteni az univerzum számára. De egy új kísérlet azt sugallja, hogy lehet mód a kvantummechanikára, hogy betekintést nyerjenek a fekete lyuk belsejébe.
"A kvantumfizikában nem veszíthetünk információt" - mondta a Live Sciencenek Kevin Landsman, a Marylandi Egyetem Közös Kvantum Intézetének (JQI) fizika hallgatója. "Ehelyett az információ elrejthető vagy összekeverhető" a szubatomi, elválaszthatatlanul összekapcsolt részecskék között.
Landsman és társszerzői megmutatták, hogy meg tudták mérni, hogy mikor és milyen gyorsan lehet az információt egy fekete lyuk egyszerűsített modelljébe becsavarni, és ezáltal potenciálisan megnézhetik az egyébként áthatolhatatlan entitásokat. Az eredmények, amelyek ma (március 6-án) jelennek meg a Nature folyóiratban, szintén segíthetnek a kvantumszámítógépek fejlesztésében.
A fekete lyukak végtelenül sűrű, végtelenül kicsi tárgyak, amelyek egy óriási, halott csillag összeomlásakor keletkeznek, és szupernóvá váltak. Hatalmas gravitációs vonzásaik miatt szívják be a környező anyagot, amely eltűnik az esemény horizontja néven ismert helyzet mögött - egy olyan pont múltja, amelyen semmi, beleértve a fényt sem, nem tud menekülni.
Az 1970-es években, a híres elméleti fizikus, Stephen Hawking bizonyította, hogy a fekete lyukak összehúzódhatnak életük során. A kvantummechanika törvényei szerint - azok a szabályok, amelyek az apró méretű szubatomi részecskék viselkedését diktálják - részecskepárok spontán módon felbukkannak a létezésbe, közvetlenül a fekete lyuk eseményhorizontján kívül. Ezeknek a részecskéknek az egyik esik a fekete lyukba, míg a másikat kifelé hajtják, és ellopják a folyamat egy apró energiáját. Rendkívül hosszú időn belül elegendő mennyiségű energiát merítünk ahhoz, hogy a fekete lyuk elpárologjon - ezt a folyamatot Hawking sugárzásnak nevezzük, amint azt a Live Science korábban beszámolták.
De van egy varázslat rejtőzik a fekete lyuk végtelenül sűrű szívében. A kvantummechanika szerint a részecskére vonatkozó információk - tömegük, lendületük, hőmérséklete és így tovább - soha nem pusztíthatók el. A relativitáselmélet egyidejűleg kimondja, hogy egy részecske, amely egy fekete lyuk eseményhorizontján nagyított, csatlakozott a végtelenen sűrű összetöréshez a fekete lyuk központjában, ami azt jelenti, hogy semmiféle információt sem lehet visszakeresni. Ezen összeegyeztethetetlen fizikai követelmények megoldásának kísérlete eddig sikertelen volt; a problémával foglalkozó teoretikusok a dilemmát a fekete lyuk információs paradoxonjának hívják.
Új kísérletükben Landsman és munkatársai megmutatták, hogyan lehetne valamilyen megkönnyebbülést elérni ebben a kérdésben a Hawking sugárzási párban lévő kifelé repülő részecskék felhasználásával. Mivel összefonódik a bejövő partnerével, azaz az állapota elválaszthatatlanul kapcsolódik partneréhez, az egyik tulajdonságainak mérése fontos részleteket szolgáltathat a másikról.
"A fekete lyukba eső információkat helyrehozhatjuk, ha masszív kvantumszámítást hajtunk végre ezekre a kimenőkre" - nyilatkozta Norman Yao, a berkeleyi Kaliforniai Egyetem fizikusa és a csapat tagja.
A fekete lyukban lévő részecskék összes információjukat kvantum-mechanikusan "összekeverték". Vagyis információik kaotikusan összekeveredtek oly módon, hogy lehetetlenné tegyék a kiengedést. De egy belegabalyodott részecske, amely összezavarodik ebben a rendszerben, potenciálisan információt továbbíthat partnere számára.
Ez a valós fekete lyuk elérése érdekében reménytelenül bonyolult (és ezen kívül a fekete lyukakat nehéz megtalálni a fizikai laboratóriumokban). Tehát a csoport létrehozott egy kvantumszámítógépet, amely elvégezte a számításokat összefonódott kvantbitekkel vagy kvitekkel - a kvantumszámításban használt alapvető egységgel. Ezután egy egyszerű modellt állítottak fel, az Ytterbium elem három atommagjának felhasználásával, amelyek egymásba voltak összefonódva.
Egy másik külső kvbit segítségével a fizikusok meg tudták mondani, mikor válnak össze a három részecskerendszer részecskéi, és meg tudták mérni, hogy összekeveredtek. Ennél is fontosabb, hogy számításaik azt mutatták, hogy a részecskéket inkább összekeverik egymással, és inkább a környezet más részecskéivel. Raphael Bousso, a UC Berkeley elméleti fizikus, aki nem vett részt a munkában, mondta a Live Science-nek.
"Ez egy csodálatos eredmény" - tette hozzá. "Kiderült, hogy annak megkülönböztetése, hogy ezek közül melyik történik valójában a kvantumrendszerével, nagyon nehéz probléma."
Az eredmények azt mutatják, hogy a fekete lyukak kutatása olyan kísérletekhez vezet, amelyek kismértékű finomságokat tudnak kimutatni a kvantummechanikában - mondta Bousso, amely hasznos lehet a jövőbeli kvantumszámítási mechanizmusok kidolgozásában.
