Можно ли использовать запутанные кубиты, чтобы исследовать черные дыры?

Физики использовали квантовый компьютер с семью кубитами, чтобы симулировать скремблирование информации внутри черной дыры, предвещая будущее, в котором запутанные квантовые биты могут использоваться для исследования этих странных объектов.

Скремблирование в данном случае — это то, что происходит, когда материя исчезает внутри черной дыры. Информация, приложенная к этому вопросу — идентичности всех ее составляющих, вплоть до энергии и импульса ее самых элементарных частиц — хаотично смешивается со всей остальной материей и информацией внутри, что делает невозможным ее извлечение.

Это приводит к так называемому «парадоксу информации о черной дыре», поскольку квантовая механика утверждает, что информация никогда не теряется, даже когда эта информация исчезает внутри черной дыры.

Хотя некоторые физики утверждают, что информация, попадающая через горизонт событий черной дыры, теряется навсегда, другие утверждают, что эту информацию можно восстановить, но только после ожидания чрезмерного количества времени — до тех пор, пока черная дыра не сократится почти до половины ее первоначального размера.

Черные дыры сжимаются, потому что они излучают излучение Хокинга, которое вызвано квантово-механическими колебаниями на самом краю черной дыры и названо в честь покойного физика Стивена Хокинга.

К сожалению, черная дыра с массой нашего Солнца испарилась бы за 10⁶⁷ лет — это намного больше, чем нынешний возраст Вселенной.

Однако из этой черной дыры есть лазейка или, вернее, червоточина. Может быть возможно извлечь эту информацию значительно быстрее, измеряя тонкие запутывания между черной дырой и излучением Хокинга, которое она испускает.

Два бита информации — например, квантовые биты или кубиты в квантовом компьютере — запутываются, когда они настолько тесно связаны, что квантовое состояние одного автоматически определяет состояние другого, независимо от того, насколько они удалены друг от друга.

Физики иногда называют это «пугающим действием на расстоянии», и измерения запутанных кубитов могут привести к «телепортации» квантовой информации из одного кубита в другой.

«Информацию, попавшую в черную дыру, можно восстановить, выполнив массивный квантовый расчет исходящих фотонов Хокинга», — говорит Норман Яо, доцент кафедры физики Калифорнийского университета в Беркли. «Ожидается, что это будет действительно, очень сложно, но если верить квантовой механике, это должно быть в принципе возможным. Это именно то, что мы делаем, но для крошечной «черной дыры» с тремя кубитами внутри семикубитного квантового компьютера».

Сбросив запутанный кубит в черную дыру и запросив возникающее излучение Хокинга, вы можете теоретически определить состояние кубита внутри черной дыры, открывая «окно в пропасть».

Норман Яо и его коллеги из Университета Мэриленда и Института теоретической физики в Ватерлоо, Онтарио, сообщат о своих результатах в статье, опубликованной 6 марта в журнале Nature.

Восстановление квантовой информации, попадающей в черную дыру, возможно, если информация быстро закодирована внутри черной дыры. Чем тщательнее она перемешиваются в черной дыре, тем надежнее информация может быть получена посредством телепортации. Основываясь на этом понимании, ученые предложили в прошлом году эксперимент, чтобы убедительно продемонстрировать скремблирование на квантовом компьютере.

«С нашим протоколом, если вы измеряете точность телепортации, которая достаточно высока, тогда вы можете гарантировать, что скремблирование произошло в квантовой цепи», — сказал Норман Яо. Исследователи реализовали протокол и эффективно измерили упорядоченную по времени корреляционную функцию.

Названные OTOC, эти своеобразные корреляционные функции создаются путем сравнения двух квантовых состояний, которые различаются по времени применения определенных ударов или возмущений. Ключом является способность эволюционировать квантовое состояние как вперед, так и назад во времени, чтобы понять влияние второго возмущения на первое.

Ученые создали скремблирующую квантовую цепь на трех кубитах в квантовом компьютере с ловушкой-ионом на семь кубитов и охарактеризовали результирующий распад OTOC. В то время как распад OTOC обычно рассматривается как явный признак того, что произошло скремблирование, исследователи должны были показать, что OTOC не просто распался из-за декогеренции, то есть, что он не был плохо защищен от шума внешнего мира, который также приводит к распаду квантовых состояний.

Ученые доказали, что чем выше точность, с которой они могли бы получить запутанную или телепортированную информацию, тем жестче они могли бы установить более низкий предел количества скремблирования, произошедшего в OTOC.

Физики измерили точность телепортации примерно в 80%, что означает, что, возможно, половина квантового состояния была взломана, а другая половина разложена декогеренцией. Тем не менее, этого было достаточно, чтобы продемонстрировать, что подлинное скремблирование действительно имело место в этом квантовом контуре с тремя кубитами.

«Одно из возможных применений нашего протокола связано с тестированием квантовых компьютеров, где можно было бы использовать эту технику для диагностики более сложных форм шума и декогеренции в квантовых процессорах», — сказал Норман Яо.

«По сути, тот факт, что мы можем связать наш эксперимент с космологией, объясняется тем, что мы считаем, что динамика квантовой информации одинакова», — сказал он.

Verified quantum information scrambling, Nature (2019). DOI: 10.1038/s41586-019-0952-6 , https://www.nature.com/articles/s41586-019-0952-6