Jacob Hoover
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I buchi neri sono mostri gravitazionali, spremono gas e polvere fino a un punto microscopico come grandi compattatori di rifiuti cosmici. La fisica moderna impone che, dopo essere state consumate, le informazioni su questo argomento dovrebbero essere perse per sempre nell'universo. Ma un nuovo esperimento suggerisce che potrebbe esserci un modo per utilizzare la meccanica quantistica per ottenere informazioni sull'interno di un buco nero.
"Nella fisica quantistica, le informazioni non possono essere perse", ha detto Kevin Landsman, uno studente laureato in fisica presso il Joint Quantum Institute (JQI) dell'Università del Maryland a College Park. "Invece, le informazioni possono essere nascoste, o mescolate" tra particelle subatomiche, legate inestricabilmente.
Landsman ei suoi coautori hanno dimostrato di poter misurare quando e quanto velocemente le informazioni sono state mescolate all'interno di un modello semplificato di un buco nero, fornendo una potenziale sbirciatina nelle entità altrimenti impenetrabili. I risultati, che appaiono oggi (6 marzo) sulla rivista Nature, potrebbero anche aiutare nello sviluppo dei computer quantistici. [Le idee più estreme di Stephen Hawking sui buchi neri]
I buchi neri sono oggetti infinitamente densi, infinitamente piccoli formati dal collasso di una stella morta gigante che è diventata una supernova. A causa della loro enorme attrazione gravitazionale, aspirano il materiale circostante, che scompare dietro quello che è noto come il loro orizzonte degli eventi, il punto oltre il quale nulla, inclusa la luce, può sfuggire.
Negli anni '70, il famoso fisico teorico Stephen Hawking ha dimostrato che i buchi neri possono ridursi nel corso della loro vita. Secondo le leggi della meccanica quantistica - le regole che determinano il comportamento delle particelle subatomiche su piccole scale - coppie di particelle compaiono spontaneamente appena fuori dall'orizzonte degli eventi di un buco nero. Una di queste particelle cade quindi nel buco nero mentre l'altra viene spinta verso l'esterno, rubando una minuscola briciola di energia nel processo. Su scale temporali estremamente lunghe, viene sottratta energia sufficiente per far evaporare il buco nero, un processo noto come radiazione di Hawking, come riportato in precedenza.
Ma c'è un enigma nascosto nel cuore infinitamente denso del buco nero. La meccanica quantistica afferma che le informazioni su una particella - la sua massa, quantità di moto, temperatura e così via - non possono mai essere distrutte. Le regole della relatività affermano simultaneamente che una particella che ha zoomato oltre l'orizzonte degli eventi di un buco nero si è unita alla cotta infinitamente densa al centro del buco nero, il che significa che nessuna informazione su di essa potrà mai essere recuperata di nuovo. I tentativi di risolvere questi requisiti fisici incompatibili finora non hanno avuto successo; i teorici che hanno lavorato al problema chiamano il dilemma il paradosso dell'informazione del buco nero.
Nel loro nuovo esperimento, Landsman ei suoi colleghi hanno mostrato come ottenere un certo sollievo per questo problema utilizzando la particella che vola verso l'esterno in una coppia di radiazioni Hawking. Poiché è impigliato con il suo partner in caduta, il che significa che il suo stato è inestricabilmente legato a quello del suo partner, misurare le proprietà di uno può fornire dettagli importanti sull'altro.
"Si possono recuperare le informazioni rilasciate nel buco nero eseguendo un massiccio calcolo quantistico su queste [particelle] in uscita", ha detto in un comunicato Norman Yao, fisico dell'Università della California, Berkeley e membro del team..
Le particelle all'interno di un buco nero hanno ricevuto tutte le loro informazioni "codificate" dal punto di vista quantistico. Cioè, le loro informazioni sono state mescolate in modo caotico in un modo che dovrebbe rendere impossibile mai districarsi. Ma una particella impigliata che si mescola in questo sistema potrebbe potenzialmente trasmettere informazioni al suo partner.
Fare questo per un buco nero del mondo reale è irrimediabilmente complicato (e inoltre, i buchi neri sono difficili da trovare nei laboratori di fisica). Quindi il gruppo ha creato un computer quantistico che ha eseguito calcoli utilizzando bit quantistici entangled, o qubit, l'unità di base delle informazioni utilizzate nel calcolo quantistico. Hanno quindi creato un modello semplice utilizzando tre nuclei atomici dell'elemento Itterbio, che erano tutti intrecciati l'uno con l'altro.
Usando un altro qubit esterno, i fisici sono stati in grado di dire quando le particelle nel sistema a tre particelle sono diventate criptate e hanno potuto misurare quanto sono diventate criptate. Ancora più importante, i loro calcoli hanno mostrato che le particelle erano specificamente mescolate tra loro piuttosto che con altre particelle nell'ambiente, ha detto Raphael Bousso, un fisico teorico della UC Berkeley che non era coinvolto nel lavoro. .
"È un risultato meraviglioso", ha aggiunto. "Si scopre che distinguere quale di queste cose sta effettivamente accadendo al tuo sistema quantistico è un problema molto difficile."
I risultati mostrano come gli studi sui buchi neri stiano portando a esperimenti in grado di sondare piccole sottigliezze nella meccanica quantistica, ha detto Bousso, che potrebbe diventare utile nello sviluppo di futuri meccanismi di calcolo quantistico..
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