Фізики використовували квантовий комп'ютер з сімома кубітами, щоб симулювати скремблювання інформації всередині чорної діри, віщуючи майбутнє, в якому заплутані квантові біти можуть використовуватися для дослідження цих дивних об'єктів.
Скремблювання в даному випадку - це те, що відбувається, коли матерія зникає всередині чорної діри. Інформація, додана до цього питання - ідентичності всіх її складових, аж до енергії та імпульсу її найбільш елементарних частинок - хаотично змішується з усією іншою матерією та інформацією всередині, що унеможливлює її витяг.
Це призводить до так званого «парадоксу інформації про чорну діру», оскільки квантова механіка стверджує, що інформація ніколи не втрачається, навіть коли ця інформація зникає всередині чорної діри.
Хоча деякі фізики стверджують, що інформація, що потрапляє через горизонт подій чорної діри, втрачається назавжди, інші стверджують, що цю інформацію можна відновити, але тільки після очікування надмірної кількості часу - до тих пір, поки чорна діра не скоротиться майже до половини її початкового розміру.
Чорні діри стискаються, тому що вони випромінюють випромінювання Гокінга, яке викликано квантово-механічними коливаннями на самому краю чорної діри і названо на честь покійного фізика Стівена Гокінга.
На жаль, чорна діра з масою нашого Сонця випарувалася б за 1067 років - це набагато більше, ніж нинішній вік Всесвіту.
Однак з цієї чорної діри є лазівка або, вірніше, червоточина. Може бути можливо отримати цю інформацію значно швидше, вимірюючи тонкі заплутування між чорною дірою і випромінюванням Гокінга, яке вона випускає.
Два біти інформації - наприклад, квантові біти або кубіти в квантовому комп'ютері - заплутуються, коли вони настільки тісно пов'язані, що квантовий стан одного автоматично визначає стан іншого, незалежно від того, наскільки вони віддалені один від одного.
Фізики іноді називають це «лякаючою дією на відстані», і вимірювання заплутаних кубітів можуть призвести до «телепортації» квантової інформації з одного кубіта в інший.
«Інформацію, що потрапила в чорну діру, можна відновити, виконавши масивний квантовий розрахунок вихідних фотонів Хокінга», - говорить Норман Яо, доцент кафедри фізики Каліфорнійського університету в Берклі. "Очікується, що це буде дійсно, дуже складно, але якщо вірити квантовій механіці, це має бути в принципі можливим. Це саме те, що ми робимо, але для крихітної "чорної діри" з трьома кубітами всередині семикубітного квантового комп'ютера ".
Скинувши заплутаний кубіт у чорну діру і запросивши випромінювання Гокінга, ви можете теоретично визначити стан кубіту всередині чорної діри, відкриваючи «вікно в прірву».
Норман Яо і його колеги з Університету Меріленду та Інституту теоретичної фізики у Ватерлоо, Онтаріо, повідомлять про свої результати у статті, опублікованій 6 березня в журналі Nature.
Відновлення квантової інформації, що потрапляє в чорну діру, можливо, якщо інформація швидко закодована всередині чорної діри. Чим ретельніше вона перемішується в чорній дірі, тим надійніше інформація може бути отримана за допомогою телепортації. Ґрунтуючись на цьому розумінні, вчені запропонували минулого року експеримент, щоб переконливо продемонструвати скремблювання на квантовому комп'ютері.
«З нашим протоколом, якщо ви вимірюєте точність телепортації, яка досить висока, тоді ви можете гарантувати, що скремблювання відбулося в квантовому ланцюгу», - сказав Норман Яо. Дослідники реалізували протокол і ефективно виміряли впорядковану за часом кореляційну функцію.
Названі OTOC, ці своєрідні кореляційні функції створюються шляхом порівняння двох квантових станів, які розрізняються за часом застосування певних ударів або обурень. Ключем є здатність еволюціонувати квантовий стан як вперед, так і назад у часі, щоб зрозуміти вплив другого обурення на перше.
Вчені створили квантовий ланцюг на трьох кубітах у квантовому комп'ютері з пасткою-іоном на сім кубітів і охарактеризували результуючий розпад OTOC. У той час як розпад OTOC зазвичай розглядається як явна ознака того, що відбулося скремблювання, дослідники повинні були показати, що OTOC не просто розпався через декогеренцію, тобто, що він не був погано захищений від шуму зовнішнього світу, який також призводить до розпаду квантових станів.
Вчені довели, що чим вища точність, з якою вони могли б отримати заплутану або телепортовану інформацію, тим жорсткіше вони могли б встановити нижчу межу кількості скремблювання, що сталося в OTOC.
Фізики виміряли точність телепортації приблизно в 80%, що означає, що, можливо, половина квантового стану була зламана, а інша половина розкладена декогеренцією. Проте, цього було достатньо, щоб продемонструвати, що справжнє скремблювання дійсно мало місце в цьому квантовому контурі з трьома кубітами.
«Одне з можливих застосувань нашого протоколу пов'язане з тестуванням квантових комп'ютерів, де можна було б використовувати цю техніку для діагностики більш складних форм шуму і декогеренції в квантових процесорах», - сказав Норман Яо.
«По суті, той факт, що ми можемо пов'язати наш експеримент з космологією, пояснюється тим, що ми вважаємо, що динаміка квантової інформації однакова», - сказав він.