Zwarte gaten zijn zwaartekrachtmonsters, die gas en stof tot een microscopisch punt persen als grote kosmische afvalpersen. De moderne fysica schrijft voor dat informatie over deze materie, na te zijn geconsumeerd, voor altijd verloren moet gaan voor het universum. Maar een nieuw experiment suggereert dat er misschien een manier is om kwantummechanica te gebruiken om enig inzicht te krijgen in het interieur van een zwart gat.
"In de kwantumfysica kan informatie onmogelijk verloren gaan", vertelde Kevin Landsman, een student natuurkunde aan het Joint Quantum Institute (JQI) aan de Universiteit van Maryland in College Park, aan WordsSideKick.com. "In plaats daarvan kan informatie worden verborgen of vervormd" tussen subatomaire, onlosmakelijk verbonden deeltjes.
Landsman en zijn co-auteurs toonden aan dat ze konden meten wanneer en hoe snel informatie door een vereenvoudigd model van een zwart gat werd gegooid, wat een potentieel kijkje in de anders ondoordringbare entiteiten opleverde. De bevindingen, die vandaag (6 maart) verschijnen in het tijdschrift Nature, kunnen ook helpen bij de ontwikkeling van kwantumcomputers.
Zwarte gaten zijn oneindig dichte, oneindig kleine objecten die zijn gevormd door de ineenstorting van een gigantische, dode ster die supernova werd. Vanwege hun enorme zwaartekracht trekken ze het omringende materiaal naar binnen, dat verdwijnt achter wat bekend staat als hun eventhorizon - het punt waarlangs niets, inclusief licht, kan ontsnappen.
In de jaren zeventig bewees de beroemde theoretisch natuurkundige Stephen Hawking dat zwarte gaten tijdens hun leven kunnen krimpen. Volgens de wetten van de kwantummechanica - de regels die het gedrag van subatomaire deeltjes op kleine schaal dicteren - ontstaan er spontaan paren deeltjes net buiten de horizon van een zwart gat. Een van deze deeltjes valt dan in het zwarte gat terwijl de andere naar buiten wordt gedreven, waardoor een klein beetje energie wordt gestolen. Op extreem lange tijdschalen wordt voldoende energie gestolen om het zwarte gat te verdampen, een proces dat bekend staat als Hawking-straling, zoals WordsSideKick.com eerder heeft gemeld.
Maar er verbergt zich een raadsel in het oneindig dichte hart van het zwarte gat. Kwantummechanica zegt dat informatie over een deeltje - de massa, het momentum, de temperatuur enzovoort - nooit kan worden vernietigd. De relativiteitsregels stellen tegelijkertijd dat een deeltje dat voorbij de horizon van een zwart gat is gezoomd, samenkomt met de oneindig dichte crush in het midden van het zwarte gat, wat betekent dat er nooit meer informatie over kan worden opgehaald. Pogingen om deze onverenigbare fysieke vereisten op te lossen, zijn tot op heden niet gelukt; theoretici die aan het probleem hebben gewerkt, noemen het dilemma de informatieparadox van het zwarte gat.
In hun nieuwe experiment lieten Landsman en zijn collega's zien hoe ze dit probleem konden verlichten door het naar buiten vliegende deeltje in een Hawking-stralingspaar te gebruiken. Omdat het verstrikt is in zijn onfeilbare partner, wat betekent dat zijn toestand onlosmakelijk verbonden is met die van zijn partner, kan het meten van de eigenschappen van de een belangrijke details over de ander opleveren.
"Men kan de informatie die in het zwarte gat is gevallen, herstellen door een enorme kwantumberekening te maken over deze uitgaande," zei Norman Yao, een natuurkundige aan de Universiteit van Californië, Berkeley, en lid van het team, in een verklaring.
Van alle deeltjes in een zwart gat is al hun informatie kwantummechanisch 'door elkaar gegooid'. Dat wil zeggen, hun informatie is op chaotische wijze met elkaar vermengd op een manier die het onmogelijk zou moeten maken ooit te worden bevrijd. Maar een verstrengeld deeltje dat in dit systeem door elkaar wordt gegooid, kan mogelijk informatie doorgeven aan zijn partner.
Dit doen voor een echt zwart gat is hopeloos ingewikkeld (en bovendien zijn zwarte gaten moeilijk te vinden in natuurkundige laboratoria). Dus de groep creëerde een quantumcomputer die berekeningen uitvoerde met verstrengelde quantumbits of qubits - de basiseenheid van informatie die wordt gebruikt in quantum computing. Vervolgens hebben ze een eenvoudig model opgesteld met behulp van drie atoomkernen van het element Ytterbium, die allemaal met elkaar verweven waren.
Met behulp van een andere externe qubit konden de natuurkundigen zien wanneer deeltjes in het systeem met drie deeltjes vervormd raakten en konden ze meten hoe vervormd ze werden. Wat nog belangrijker is, hun berekeningen lieten zien dat de deeltjes specifiek met elkaar werden gecodeerd in plaats van met andere deeltjes in de omgeving, vertelde Raphael Bousso, een theoretische natuurkundige van UC Berkeley die niet bij het werk betrokken was, tegen WordsSideKick.com.
'Het is een geweldige prestatie', voegde hij eraan toe. 'Het blijkt dat het een heel moeilijk probleem is om te bepalen welke van deze dingen daadwerkelijk met uw kwantumsysteem gebeurt.'
De resultaten laten zien hoe studies van zwarte gaten leiden tot experimenten die kleine subtiliteiten in de kwantummechanica kunnen onderzoeken, zei Bousso, die nuttig zouden kunnen zijn bij de ontwikkeling van toekomstige kwantumcomputermechanismen.
