Az Entangled Qubits használata a fekete lyukak vizsgálatához

Egy izgalmas, a kozmológiát és a kvantumszámítást összekapcsoló tanulmány azt jelzi, hogy az összefonódott kvitek felhasználhatók a fekete lyukak belsejének vizsgálatára.

A fizikusok hétbbitos kvantumszámítógépet használtak arra, hogy szimulálják az információ rekeszelését egy fekete lyuk belsejében, és egy olyan jövőre utalnak, amelyben az összefonódott kvantumbitek - kvitek - felhasználhatók e tér-idő objektumok titokzatos belső tereinek megfigyelésére.

A remegés történik akkor, amikor az anyag eltűnik a fekete lyukban. Az adott anyaghoz kapcsolódó információ - alkotó részecskéinek jellege, beleértve energiájukat és lendületüket - kaotikusan keveredik az összes többi anyaggal és az információkkal, amelyek a fekete lyuk közepén található szingularitáson belül vannak, így lehetetlenné válik a visszakeresés.

Mivel a kvantummechanika szerint az információ soha nem veszik el, még akkor sem, ha ez az információ eltűnik egy fekete lyukban, ez egy úgynevezett „fekete lyuk információs paradoxonjához” vezet.

Tehát, míg egyes fizikusok azt állítják, hogy egy fekete lyuk eseményhorizontján keresztül eső információk örökre elvesznek, mások azt állítják, hogy ezeket az információkat helyre lehet állítani, de csak egy rendkívüli idő várakozása után - mindaddig, amíg a fekete lyuk a felének csaknem felére csökkent. eredeti méret.

A kozmológusok szerint ez a zsugorodás a Hawking sugárzás kibocsátásának következménye lehet, amelyet a fekete lyuk szélén lévő kvantummechanikai ingadozások okoznak - a késői fizikus, Stephen Hawking elnevezése miatt.

Mivel Hawking azt jósolta, hogy a nagyobb fekete lyukak sokkal lassabban „szivárognak” a Hawking sugárzáshoz, a napunk tömegével rendelkező fekete lyuk sokkal hosszabb ideig tart, mint az univerzum kora, hogy elpárologjon - miközben a mikro fekete lyukak eloszlanak egy egy másodperc töredéke.

Van azonban kiskapu. Lehetséges, hogy ezt a bejövő információt lényegesen gyorsabban lehet visszanyerni, ha megmérjük a fekete lyuk és az általa kibocsátott Hawking sugárzás közötti finom beszorulásokat.

Qubits és kvantumszámítás.

Ez a fekete lyuk információs paradoxonjának vázlata. Alice egy qubitot egy fekete lyukba dobja és megkérdezi, hogy képes-e Bob rekonstruálni a qubitot csak a kimenő Hawking sugárzás felhasználásával (Norman Yao, UC Berkeley)

Két információs bit - például a kvantumbitek vagy kvantumok a kvantumszámítógépen - összefonódnak, amikor annyira szorosan kapcsolódnak egymáshoz, hogy az egyik kvantumállapota automatikusan meghatározza a másik állapotát, függetlenül attól, hogy milyen távol vannak egymástól.

Einstein ezt híresen „távoli kísérteties cselekvésnek” nevezte, ám pontosabb ezt a kvantumrendszerek leírására használt matematika tulajdonságának tekinteni. Az összefonódott kvitek mérése vezethet a kvantuminformációk „teleportálásához” vagy azonnali továbbításához az egyik kvbitről a másikra.

Norman Yao, az UC Berkeley fizika asszisztens professzora elmondja: „A fekete lyukba esett információkat helyreállíthatjuk, ha masszív kvantumszámítást végezünk ezekre a kimenő Hawking fotonokra.

„Ez várhatóan valóban, nagyon nehéz lesz, de ha a kvantummechanikába akarunk hinni, elvben lehetővé kell tenni. Pontosan ezt csináljuk itt, de egy apró, hárombbitű "fekete lyukhoz" egy hétbbitos kvantumszámítógép belsejében. "

Ha egy belefutott qubitot egy fekete lyukba dob, és lekérdezi a kialakuló Hawking sugárzást, elméletileg meg tudja határozni egy qubit állapotát a fekete lyukban, és ablakot biztosít a mélységbe.

Yao - akit érdekel a kvantum-káosz természetének megértése - és kollégái a Marylandi Egyetemen és a kanadai Ontarioban, Waterloóban található Periméter Elméleti Fizikai Intézetben, eredményeikről egy olyan cikkben számolnak be, amely a folyóirat Nature.

Quantum teleportálás

Yao a barátjától és kollégájától, Beni Yoshida-tól - a Perimeter Intézet teoretikusától - megtudta, hogy a fekete lyukba eső kvantuminformációk visszanyerése akkor lehetséges, ha az információ gyorsan bekerül a fekete lyukba. Minél alaposabban keverik össze a fekete lyukban, annál megbízhatóbb az információ teleportálás útján. Ezen betekintés alapján Yoshida és Yao tavaly javaslatot tettek egy kísérletre, amellyel bizonyítani lehet a kvantumszámítógépen történő rejtjelezést.

Yao szerint: "Ha a protokollunkkal elegendően magas teleportációs hűséget mér, akkor garantálhatja, hogy a rejtjelezés a kvantumáramkörön belül történt."

Yao felhívta Chris Monroe segítségét, a Marylandi Egyetem fizikusát, a College Park-ban, aki a világ egyik vezető csapda-ion kvantum információs csoportját vezette. A csoport végrehajtotta a Yoshida és a Yao által javasolt protokollt, és hatékonyan megmérte az idő szerint rendezett korrelációs függvényt.

Ezeket a sajátos korrelációs függvényeket - OTOC-knak - két kvantumállapot összehasonlításával hozzák létre, amelyek különböznek az egyes rúgások vagy perturbációk alkalmazásának időzítésében. A kulcs képes kvantumállapot kialakulására egyaránt előre és hátra időben, hogy megértse, milyen hatással van a második rúgás az első rúgásra.

A Monroe-csoport egy kódolási kvantumáramkört hozott létre három kvbitre egy hétbbitos csapdába eső ion kvantumszámítógépen belül, és jellemezte az OTOC ebből adódó hanyatlását. Míg az OTOC lebomlását általában erős jelzésnek tekintik a rejtjelezés megtörténtének, annak igazolása, hogy meg kellett mutatniuk, hogy az OTOC nem pusztul el csak a koherencia miatt - azaz hogy nem csak rosszul vannak árnyékolva a a külvilág zaja, amely a kvantumállapotok szétesését is okozza.

Yao és Yoshida bebizonyították, hogy minél nagyobb pontossággal tudják beolvasni az összefonódott vagy teleportált információkat, annál szigorúbban tudtak alacsonyabb korlátot meghatározni az OTOC-ban bekövetkező rejtjelezés mennyiségére.

Monroe és kollégái körülbelül 80% -os teleportációs hűséget mértek - ez azt jelenti, hogy a kvantumállapot felét valószínűleg összetévesztették, a másik felét a dekoherencia elpusztította. Ennek ellenére elég volt annak bizonyításához, hogy valódi rejtjelezés valóban megtörtént ebben a hárombbitos kvantumáramkörben.

Yao elmagyarázza ennek jelentőségét: "A protokollunk egyik lehetséges alkalmazása a kvantumszámítógépek benchmarkingjával kapcsolatos, ahol ezt a technikát alkalmazhatjuk a zaj és a dekoherencia bonyolultabb formáinak diagnosztizálására a kvantumprocesszorokban."

A Yao együtt működik egy UC Berkeley csoporttal is, amelyet Irfan Siddiqi vezet, hogy ábrázolást mutatjon be egy másik kvantumrendszerben, szupravezető qutrit-ekkel - kvantumbitekkel, amelyeknek három, nem pedig két állapota van.

Siddiqi, az UC Berkeley fizikaprofesszora, szintén vezeti a Lawrence Berkeley Nemzeti Laboratórium erőfeszítéseit egy fejlett kvantumszámítási tesztágy felépítéséhez, mondja: a kozmológia azért van, mert úgy gondoljuk, hogy a kvantuminformációk dinamikája azonos.

„Az USA milliárd dolláros kvantumkezdeményezést indít, és a kvantuminformáció dinamikájának megértése számos kutatási területet összekapcsol ezen kezdeményezésen belül: kvantumáramkörök és számítástechnika, nagy energiafizika, fekete lyuk dinamika, kondenzált anyagfizika és atomi, molekuláris és optikai fizika. A kvantuminformáció nyelve áthatóvá vált ezen különféle rendszerek megértése szempontjából. ”

Eredetileg a Scisco médiában tették közzé