Mustat reiät saavat nimensä, koska niiden painovoima on niin vahva, että se jopa vangitsee valon. Ja koska valo ei voi jättää mustaa aukkoa, myös tieto tulee ulos. Kummallista kyllä, fyysikot ovat osoittaneet teoreettisen käden näön ja keksineet tavan poimia mustaan aukkoon pudonneet tiedot. Heidän laskelmansa koskettavat yhtä fysiikan suurimmista mysteereistä: kuinka kaikki mustaan aukkoon loukkuun jäänyt tieto vuotaa pois, kun musta aukko "haihtuu". Tämän uskotaan tapahtuvan, mutta kukaan ei tiedä miten.
Uuden järjestelmän olisi kuitenkin pikemminkin korostettava mustaa aukkoa koskevan tiedon monimutkaisuutta kuin ratkaistava se. "Ehkä muut pystyvät menemään pidemmälle tämän kanssa, mutta en usko, että siitä olisi apua", sanoo teoreetikko Don Page, teoreetikko Alberta-yliopistosta Edmontonissa Kanadassa, joka ei ollut mukana työssä.
Voit leikata sähkölaskua, mutta et voi tuhota tietoja heittämällä ne mustaan aukkoon. Tämä johtuu osittain siitä, että vaikka kvanttimekaniikka käsittelee todennäköisyyksiä - kuten todennäköisyyttä, että elektroni on yhdessä tai toisessa paikassa -, näiden todennäköisyyksien antavien kvanttiaaltojen on kehittyttävä ennustettavalla tavalla, joten jos tiedät aaltomuodon yhdessä pisteessä, voit ennustaa sen. tarkalleen milloin tahansa tulevaisuudessa. Ilman tätä "yhtenäisyyttä" kvanttiteoria tuottaisi merkityksettömiä tuloksia, kuten todennäköisyyksiä, jotka eivät ole 100%.
Oletetaan, että heität joitain kvanttihiukkasia mustaan aukkoon. Ensi silmäyksellä hiukkaset ja niiden sisältämät tiedot menetetään. Ja tämä on ongelma, koska osa kvanttitilasta, joka kuvaa hiukkasten ja mustien aukkojen yhdistettyä järjestelmää, on tuhoutunut, mikä tekee mahdottomaksi ennustaa tarkkaa evoluutiota ja rikkoo yhtenäisyyttä.
Fyysikoiden mielestä he ovat löytäneet tien ulos. Vuonna 1974 brittiläinen teoreetikko Stephen Hawking väitti, että mustat aukot voivat päästää hiukkasia ja energiaa. Kvanttiepävarmuuden ansiosta tyhjä tila ei ole oikeastaan tyhjä - se on täynnä parillisia hiukkasia, jotka syntyvät säännöllisesti ja katoavat. Hawking tajusi, että jos tyhjiöstä syntyvä hiukkaspari osui mustan aukon reunaan, yksi lentäisi avaruuteen ja toinen putoaisi mustaan aukkoon. Mustan aukon energian kuljettaminen, pakeneva Hawking-säteily saa mustan aukon haihtumaan hitaasti. Jotkut teoreetikot ajattelevat, että tieto ilmestyy jälleen, koodattu mustan aukon säteilyyn - tämä on kuitenkin täysin käsittämätön hetki, koska säteily näyttää olevan täysin satunnaista.
Joten Aidan Chatwin-Davis, Adam Jermyn ja Sean Carroll Kalifornian teknillisestä instituutista Pasadenassa ovat löytäneet hyvän tavan saada tietoa yhdestä mustassa aukossa kadonneesta kvanttihiukkasesta Hawkingin säteilyn ja kvantti teleportoinnin outon käsitteen avulla.
Kvanttiteleportoinnin avulla kaksi kumppania, Alice ja Bob, voivat siirtää yhden hiukkasen, kuten elektronin, herkän kvanttitilan toiseen. Kvanttiteoriassa elektronin spin voi olla ylös, alas tai ylös ja alas samanaikaisesti. Tätä tilaa voidaan kuvata maapallon pisteellä, jossa pohjoisnapa tarkoittaa ylöspäin ja etelänapa tarkoittaa alas. Leveyspiirit tarkoittavat eri seoksia ylös ja alas, ja pituuspiirit tarkoittavat "vaihetta" tai sitä, kuinka ylä- ja alaosat ylittävät. Mutta jos Alice yrittää mitata tätä tilaa, se "romahtaa" yhdessä tai toisessa skenaariossa ylös tai alas tuhoamalla vaihetiedot. Siksi hän ei voi mitata tilaa ja lähettää tietoja Bobille, mutta hänen on lähetettävä ne koskemattomina.
Tätä varten Alice ja Bob voivat vaihtaa ylimääräisen elektroniparin, jotka on yhdistetty erityisellä kvanttisidoksella - kietoutuminen. Jokaisen kietoutuneen parin hiukkasen tilaa ei ole määritelty - se osoittaa samanaikaisesti mihin tahansa pisteeseen maapallolla - mutta niiden tilat korreloivat, joten jos Alice mittaa partikkelinsa parista ja huomaa, että se pyörii, esimerkiksi ylöspäin, hän tietää heti, että Bobin elektroni pyörii ylhäältä alas. Joten, Alicella on kaksi elektronia - yksi, jonka tilan hän haluaa teleportoida, ja puolet sotkeutuneesta parista. Bobilla on vain yksi hämmentävästä parista.
Mainosvideo:
Teleportoimiseksi Alice käyttää toista outoa kvanttimekaniikan ominaisuutta: että mittaus paljastaa jotain järjestelmästä, mutta myös muuttaa sen tilaa. Siksi Alice vie kaksi irrallaan olevaa elektronia ja tekee mittauksen, joka "heijastaa" takertuneen tilan niihin. Tämä mittaus rikkoo takertumisen elektroniparin välillä, jonka hän ja Bob ovat. Mutta samaan aikaan se johtaa siihen, että Bobin elektroni on tilassa, jossa Alicen elektroni oli, jonka hänen täytyi teleportoida. Oikean mittauksen avulla Alice siirtää kvanttitiedot järjestelmän yhdeltä puolelta toiselle.
Chatwin-Davis ja hänen kollegansa tajusivat voivansa teleportoida tietoa elektronin tilasta myös mustasta aukosta. Oletetaan, että Alice kelluu mustan aukon vieressä elektroninsa kanssa. Se sieppaa yhden fotonin Hawking-säteilyparista. Kuten elektroni, fotoni voi pyöriä molempiin suuntiin ja takertua fotonikumppaniin, joka putoaa mustaan aukkoon. Alice mittaa sitten mustan aukon kokonaiskulmamomentin eli pyörimisnopeuden - sen koon ja karkeasti sanoen kuinka tasaisesti se on suhteessa tiettyyn akseliin. Ottaessaan nämä kaksi informaatiota hänen käsiinsä hän heittää elektroninsa menettämättä sitä ikuisesti.
Mutta Alice voi palauttaa tietoja tämän elektronin tilasta, tutkijoiden mukaan Physical Review Letters -työssä. Ainoa mitä hänen on tehtävä, on mitata mustan aukon spin ja suunta uudelleen. Nämä mittaukset sekoittavat sitten mustan aukon ja tulevan fotonin. He teleportoivat myös elektronin tilan Alicen sieppaamaan fotoniin. Siten kadonneen elektronin tiedot uutetaan havaittavaan maailmankaikkeuteen.
Chatwin-Davis korostaa, että tämä muotoilu ei ole suunnitelma käytännön kokeilulle. Viime kädessä Alice joutuu mittaamaan välittömästi mustan aukon pyörimisen, jolla on sama massa kuin auringolla. "Vitsimme, että Alice on luultavasti maailmankaikkeuden edistynein tiedemies", hän sanoo.
Tällä järjestelmällä on myös monia rajoituksia. Erityisesti, kuten kirjoittajat huomauttavat, se toimii yhden kvanttihiukkasen kanssa, mutta ei kahden tai useamman kanssa. Tämä johtuu siitä, että reseptissä käytetään tosiasiaa, että musta aukko säilyttää kulmamomentin, joten sen lopullinen spin on yhtä suuri kuin sen alkuperäinen spin + elektronin spin. Tämä antaa Alicelle mahdollisuuden poimia tarkalleen kaksi tietobittiä - kokonaiskierros ja sen projektio yhtä akselia pitkin - ja tämä riittää määrittämään yhden hiukkasen kvanttitilan leveys- ja pituusasteet. Mutta tämä ei riitä palauttamaan kaikki mustan aukon vangitsemat tiedot.
Mustan aukon tieto-ongelman ratkaisemiseksi teoreetikkojen on otettava huomioon mustan aukon sisätilojen monimutkaiset tilat, kertoo Stefan Leichenhower, teoreetikko Kalifornian yliopistosta Berkeleyssä. "Valitettavasti suurimmat kysymykset mustista aukoista koskevat sisäistä toimintaa", hän sanoo. "Joten tämä protokolla, joka itsessään on varmasti mielenkiintoinen, kertoo luultavasti vähän mustan aukon tieto-ongelmasta."