I fisici hanno utilizzato un computer quantistico a sette qubit per simulare la confusione delle informazioni all'interno di un buco nero, annunciando un futuro in cui i bit quantistici entangled potrebbero essere usati per sondare i misteriosi interni di questi bizzarri oggetti.

Lo scrambling è ciò che accade quando la materia scompare all'interno di un buco nero. Le informazioni allegate a quella materia - le identità di tutti i suoi componenti, fino all'energia e alla quantità di moto delle sue particelle più elementari, è mescolato caoticamente con tutta l'altra materia e informazione all'interno, apparentemente rendendo impossibile il recupero.

Questo porta a un cosiddetto "paradosso dell'informazione del buco nero, " poiché la meccanica quantistica dice che le informazioni non vanno mai perse, anche quando quell'informazione scompare all'interno di un buco nero.

Così, mentre alcuni fisici affermano che le informazioni che cadono attraverso l'orizzonte degli eventi di un buco nero sono perse per sempre, altri sostengono che queste informazioni possono essere ricostruite, ma solo dopo aver atteso una quantità eccessiva di tempo, fino a quando il buco nero si è ridotto a quasi la metà delle sue dimensioni originali. I buchi neri si restringono perché emettono radiazioni di Hawking, che è causato dalle fluttuazioni della meccanica quantistica ai margini del buco nero e prende il nome dal defunto fisico Stephen Hawking.

Sfortunatamente, un buco nero la massa del nostro sole impiegherebbe circa 10 ⁶⁷ anni per evaporare, lontano, molto più lungo dell'età dell'universo.

Però, c'è una scappatoia, o meglio, un wormhole, fuori da questo buco nero. Potrebbe essere possibile recuperare queste informazioni in caduta significativamente più velocemente misurando i sottili entanglement tra il buco nero e la radiazione di Hawking che emette.

Due bit di informazioni, come i bit quantistici, o qubit, in un computer quantistico - sono entangled quando sono così strettamente collegati che lo stato quantistico di uno determina automaticamente lo stato dell'altro, non importa quanto siano distanti. I fisici a volte si riferiscono a questo come "azione spettrale a distanza, " e le misurazioni dei qubit entangled possono portare al "teletrasporto" di informazioni quantistiche da un qubit all'altro.

"Si possono recuperare le informazioni cadute nel buco nero eseguendo un massiccio calcolo quantistico su questi fotoni Hawking in uscita, " ha detto Norman Yao, un assistente professore di fisica all'Università di Berkeley. "Questo dovrebbe essere davvero, davvero difficile, ma se si deve credere alla meccanica quantistica, dovrebbe, in linea di principio, Essere possibile. Questo è esattamente quello che stiamo facendo qui, ma per un minuscolo "buco nero" di tre qubit all'interno di un computer quantistico di sette qubit".

Facendo cadere un qubit entangled in un buco nero e interrogando la radiazione di Hawking emergente, potresti teoricamente determinare lo stato di un qubit all'interno del buco nero, offrendo una finestra sull'abisso.

Yao e i suoi colleghi dell'Università del Maryland e del Perimeter Institute for Theoretical Physics di Waterloo, Ontario, Canada, riporteranno i loro risultati in un articolo apparso nel numero del 6 marzo della rivista Natura .

Teletrasporto

Yao, chi è interessato a comprendere la natura del caos quantistico, appreso dall'amico e collega Beni Yoshida, un teorico presso l'Istituto Perimetrale, che il recupero dell'informazione quantistica che cade in un buco nero è possibile se l'informazione viene mescolata rapidamente all'interno del buco nero. Più accuratamente è mescolato in tutto il buco nero, più affidabile è il recupero delle informazioni tramite teletrasporto. Sulla base di questa intuizione, Yoshida e Yao hanno proposto l'anno scorso un esperimento per dimostrare in modo dimostrabile il rimescolamento su un computer quantistico.

"Con il nostro protocollo, se misuri una fedeltà al teletrasporto abbastanza alta, quindi puoi garantire che lo scrambling sia avvenuto all'interno del circuito quantistico, " Yao ha detto. "Quindi, poi abbiamo chiamato il mio amico, Chris Monroe."

Monroe, un fisico dell'Università del Maryland a College Park che dirige uno dei principali gruppi di informazioni quantistiche sugli ioni intrappolati al mondo, deciso di fare un tentativo. Il suo gruppo ha implementato il protocollo proposto da Yoshida e Yao e ha misurato efficacemente una funzione di correlazione fuori tempo.

Chiamati OTOC, queste peculiari funzioni di correlazione vengono create confrontando due stati quantistici che differiscono nei tempi di quando vengono applicati determinati kick o perturbazioni. La chiave è essere in grado di far evolvere uno stato quantico sia in avanti che indietro nel tempo per comprendere l'effetto di quel secondo calcio sul primo.

Il gruppo di Monroe ha creato un circuito quantistico rimescolante su tre qubit all'interno di un computer quantistico a ioni intrappolati da sette qubit e ha caratterizzato il decadimento risultante dell'OTOC. Mentre il decadimento dell'OTOC è in genere preso come una forte indicazione che si è verificato lo scrambling, per dimostrare che dovevano dimostrare che l'OTOC non è semplicemente decaduto a causa della decoerenza, cioè, che non era solo scarsamente schermato dal rumore del mondo esterno, che provoca anche la disgregazione degli stati quantistici.

Yao e Yoshida hanno dimostrato che maggiore è la precisione con cui possono recuperare le informazioni impigliate o teletrasportate, più rigorosamente potevano mettere un limite inferiore alla quantità di rimescolamento che si era verificato nell'OTOC.

Monroe e i suoi colleghi hanno misurato una fedeltà al teletrasporto di circa l'80%, il che significa che forse metà dello stato quantico è stato confuso e l'altra metà è decaduta per decoerenza. Tuttavia, questo era sufficiente per dimostrare che in questo circuito quantistico a tre qubit si era effettivamente verificato un vero e proprio rimescolamento.

"Una possibile applicazione per il nostro protocollo è legata al benchmarking dei computer quantistici, dove si potrebbe essere in grado di utilizzare questa tecnica per diagnosticare forme più complicate di rumore e decoerenza nei processori quantistici, "ha detto Yao.

Yao sta anche lavorando con un gruppo dell'UC Berkeley guidato da Irfan Siddiqi per dimostrare lo scrambling in un diverso sistema quantistico, qutrit superconduttori:bit quantici che ne hanno tre, piuttosto che due, stati. Siddiqi, un professore di fisica dell'Università di Berkeley, guida anche lo sforzo del Lawrence Berkeley National Laboratory per costruire un banco di prova avanzato per l'informatica quantistica.

"Al suo centro, questo è un esperimento qubit o qutrit, ma il fatto che possiamo metterlo in relazione con la cosmologia è perché crediamo che la dinamica dell'informazione quantistica sia la stessa, " ha detto. "Gli Stati Uniti stanno lanciando un'iniziativa quantistica da un miliardo di dollari, e la comprensione della dinamica dell'informazione quantistica collega molte aree di ricerca all'interno di questa iniziativa:circuiti quantistici e informatica, fisica delle alte energie, dinamica del buco nero, fisica della materia condensata e atomica, fisica molecolare e ottica. Il linguaggio dell'informazione quantistica è diventato pervasivo per la nostra comprensione di tutti questi diversi sistemi".

A parte Yao, Yoshida e Monroe, altri co-autori sono lo studente laureato UC Berkeley T. Schuster e K. A. Landsman, C. Figgatt e N. M. Linke del Joint Quantum Institute del Maryland. Il lavoro è stato sostenuto dal Dipartimento dell'Energia e dalla National Science Foundation.