Svarta hål har fått sina namn på grund av att deras gravitation är så stark att den håller även ljus. Och om ljuset inte kan lämna ett svart hål, då den information som kommer ut, bli introducerad till den information paradox i ett svart hål. Märkligt nog, fysiker har visat en teoretisk fingerfärdighet och tänkte ut ett sätt att extrahera fläck av information som faller in i ett svart hål. Beräkningen omfattar en av de största mysterierna i fysik: hur all den information som instängd i ett svart hål, att dränera bort som “avdunstning” av ett svart hål. Tror att det skulle hända, men ingen vet.
Men det nya systemet bör snarare betona komplexiteten i den information som problem i svarta hål än att lösa det. “Kanske kommer andra att kunna gå vidare i detta, men jag tror inte att det kommer att hjälpa”, säger don Paige, en teoretiker från University of Alberta i Edmonton, Kanada, som inte deltog i arbetet.
Du kan klippa ut ett kvitto för el, men det är omöjligt att förstöra information genom att kasta den i ett svart hål. Detta beror delvis på att även om kvantmekanik handlar om sannolikheter, såsom sannolikheten att hitta elektronen i en eller annan plats — kvantmekaniska vågor, som ger dessa sannolikheter måste utveckla förutsägbar, så om du vet vågform vid ett tillfälle, kan du förutse det, att precis när som helst i framtiden. Utan en sådan “unitarity”, kvantmekaniska teorin skulle ge orimliga resultat som sannolikheter att summera till 100%.
Antag att du kastar ett par kvantmekaniska partiklar i ett svart hål. Vid en första anblick, partiklar, och den information de innehåller, är förlorad. Och detta är ett problem eftersom en del av kvanttillstånd som beskriver den kombinerade system av partiklar, och det svarta hålet förstördes, vilket gör det omöjligt korrekt prognos av utvecklingen och bryter mot unitarity.
Fysiker tror att de hittat utgången. 1974, den Brittiska teoretiker Stephen Hawking hävdade att svarta hål kan släppa ut partiklar och energi. Tack för att kvantmekaniska osäkerheten, den tomma rymden är egentligen inte tomt — det är fullt av par av partiklar, som regelbundet kommer till existens och försvinner. Hawking insåg att om ett par av partiklar uppstår ur vakuum, du sätter dig på kanten av ett svart hål, kommer man att flyga i rymden, och den andra faller in i det svarta hålet. Bär energi av det svarta hålet, den läckande Hawking-strålning orsakar det svarta hålet avdunstar långsamt. Vissa teoretiker menar att den information som visas återigen, är kodad i strålningen från en svart hål — det är dock helt oklart, eftersom strålningen verkar vara helt slumpmässiga.
Och här Chatvin Aidan-Davis, Adam Jermyn och Sean Carroll från California Institute of technology i Pasadena har hittat ett bra sätt att få information från en quantum partikel, försvinner i ett svart hål med hjälp av Hawking-strålning, och den märkliga idén om quantum teleportering.
Quantum teleportering kan två parter, Alice och Bob, överföring ömtåliga kvanttillstånd av en partikel som elektronen andra. I quantum theory, elektronens spinn kan vara orienterade upp, ner, eller upp och ner på samma gång. Detta tillstånd kan beskrivas med den punkt på jorden där nordpolen betyder toppen och sydpolen tyder på botten. Latitud linjerna innebär olika blandning av topp och botten, och rader av longitud betyder “fas”, eller korsar varandra som den högre och lägre delar. Men om Alice försöker att mäta detta tillstånd, det “rasar” av ett eller annat scenario, upp eller ner, förstör information om fas. Det går därför inte att mäta tillstånd och skicka information till Bob, och ska skicka det intakt.
För att göra detta, Alice och Bob kan utbyta ytterligare ett par av elektroner, som är sammanlänkade av en särskild bond-quantum — sammanflätning. Tillståndet för varje partikel i en förvirrande par inte är definierad — det visar på samma gång var som helst i världen — men deras Stater som är korrelerade, så om Alice åtgärder henne partikel från paret, och upptäcker att hon rör sig, säga uppåt, hon omedelbart får reda på att Bob elektronen snurrar från topp till botten. Så, Alice har två elektroner — en vars tillstånd hon vill teleport, och hälften av förvirrande par. Bönan har bara en av de förvirrande par.
För att utföra teleportering, Alice använder en annan märklig egenskap av kvantmekanik: mätning inte bara avslöjar något om systemet, men ändrar sitt tillstånd. Så Alice tar två unconfused elektron och bildar en mätning som “skjuter” dem i ett komplicerat tillstånd. Denna mätning förstör sammanflätning mellan ett par av elektroner till henne och Bob. Men på samma gång, det leder till att Bob elektronen är i ett tillstånd där elektron var Alice, som hon var tänkt för att teleportera. Genom en korrekt mätning, Alice tar quantum information från ett system till ett annat.
Chatvin-Davis och hans kolleger insåg att de kunde teleportera sig information om tillståndet i electron och även från svarta hål. Antag att Alice simmar för nära ett svart hål med sin elektron. Den fångar ett par foton född i processen av Hawking-strålning. Som elektronen, fotonen kan rotera i båda riktningarna och kommer att förväxlas med sin partner fotonen, som föll in i ett svart hål. Då Alice mäter den totala ögonblick, eller spin, det svarta hålet, dess storlek och, grovt sett, exakt hur är det i förhållande till en viss axel. Med dessa två bitar av information i handen, hon kastar sin elektron, att förlora den för alltid.
Men Alice kan återhämta sig information om tillståndet i denna electron, enligt forskare i arbetet med att Physical Review Letters. Allt hon behöver göra är att återigen mäta spin och orientering i det svarta hålet. Dessa mätningar är så förvirrande i ett svart hål och det infallande fotonen. De har också teleporterad av en elektron av en foton tagna av Alice. Således information av den förlorade elektronen kommer att matas ut i den observerade Universum.
Chatvin-Davis betonar att detta system är inte en praktisk experiment. I slutet, Alice kommer att ta en omedelbar mätning av spin the black hole, vars massa är lika med massan av solen. “Vi skämtade om att Alice är förmodligen den mest avancerade forskare i Universum”, säger han.
I detta system finns det också vikt begränsningar. Särskilt som författarna noterar, det fungerar med en enda quantum partikel, men inte två eller flera. Eftersom receptet använder sig av det faktum att det svarta hålet bevarar rörelsemängdsmoment, så dess slutliga spinn är den första spin plus snurr på elektronen. Detta gör att Alice för att hämta två bitar av information — den totala spinn och dess projektion längs en axel — och detta är tillräckligt för att bestämma latitud och longitud av kvanttillstånd av en partikel. Men detta är inte tillräckligt för att återställa all den information som fångas upp av ett svart hål.
För att verkligen lösa de uppgifter som problem av svarta hål, teoretiker behöver tänka på det komplexa tillstånd av inre av ett svart hål, säger Stephen Lehenbauer, en teoretiker vid University of California i Berkeley. “Tyvärr, den största frågor på temat svart hål relaterade till det inhemska arbetet, säger han. Alltså, detta Protokoll är intressant i sig, förmodligen lite kommer att berätta om den information problemet svart hål”.
Dessutom, penetration in i svarta hål kräver kvantmekaniska teorin för gravitationen. Utvecklingen av en sådan teori är kanske den största syftet med all teoretisk fysik i årtionden det undgår fysiker.