Natuurkundigen hebben een kwantumcomputer van zeven qubits gebruikt om het door elkaar gooien van informatie in een zwart gat te simuleren. die een toekomst inluidt waarin verstrengelde kwantumbits kunnen worden gebruikt om de mysterieuze interieurs van deze bizarre objecten te onderzoeken.

Scrambling is wat er gebeurt als materie in een zwart gat verdwijnt. De informatie die aan die zaak is gehecht - de identiteit van al zijn bestanddelen, tot de energie en het momentum van zijn meest elementaire deeltjes - is chaotisch vermengd met alle andere materie en informatie binnenin, schijnbaar onmogelijk om terug te halen.

Dit leidt tot een zogenaamde "zwart-gat-informatieparadox, " aangezien de kwantummechanica zegt dat informatie nooit verloren gaat, zelfs als die informatie in een zwart gat verdwijnt.

Dus, terwijl sommige natuurkundigen beweren dat informatie die door de waarnemingshorizon van een zwart gat valt voor altijd verloren gaat, anderen beweren dat deze informatie kan worden gereconstrueerd, maar alleen na een buitensporige hoeveelheid tijd te hebben gewacht - totdat het zwarte gat is gekrompen tot bijna de helft van zijn oorspronkelijke grootte. Zwarte gaten krimpen omdat ze Hawking-straling uitzenden, die wordt veroorzaakt door kwantummechanische fluctuaties aan de uiterste rand van het zwarte gat en is genoemd naar wijlen natuurkundige Stephen Hawking.

Helaas, een zwart gat zou de massa van onze zon ongeveer 10 . nemen ⁶⁷ jaren om te verdampen - ver, veel langer dan de leeftijd van het heelal.

Echter, er is een maas in de wet - of liever, een wormgat - uit dit zwarte gat. Het kan mogelijk zijn om deze invallende informatie aanzienlijk sneller op te halen door subtiele verstrengelingen tussen het zwarte gat en de Hawking-straling die het uitzendt te meten.

Twee stukjes informatie, zoals de kwantumbits, of qubits, in een kwantumcomputer - verstrengeld raken wanneer ze zo nauw met elkaar verbonden zijn dat de kwantumtoestand van de ene automatisch de toestand van de andere bepaalt, hoe ver ze ook van elkaar verwijderd zijn. Natuurkundigen noemen dit soms "spookachtige actie op afstand, " en metingen van verstrengelde qubits kunnen leiden tot de "teleportatie" van kwantuminformatie van de ene qubit naar de andere.

"Je kunt de informatie die in het zwarte gat is gevallen herstellen door een enorme kwantumberekening uit te voeren op deze uitgaande Hawking-fotonen, " zei Norman Yao, een UC Berkeley assistent-professor in de natuurkunde. "Dit is naar verwachting echt echt moeilijk, maar als we de kwantummechanica moeten geloven, Het zou moeten, in principe, wees mogelijk. Dat is precies wat we hier doen, maar voor een klein 'zwart gat' van drie qubits in een kwantumcomputer van zeven qubits."

Door een verstrengelde qubit in een zwart gat te laten vallen en de opkomende Hawking-straling te onderzoeken, je zou theoretisch de toestand van een qubit in het zwarte gat kunnen bepalen, een venster in de afgrond bieden.

Yao en zijn collega's aan de Universiteit van Maryland en het Perimeter Institute for Theoretical Physics in Waterloo, Ontario, Canada, zullen hun resultaten rapporteren in een paper die verschijnt in het nummer van 6 maart van het tijdschrift Natuur .

Teleportatie

Ja, die geïnteresseerd is in het begrijpen van de aard van kwantumchaos, geleerd van vriend en collega Beni Yoshida, een theoreticus aan het Perimeter Institute, dat het herstellen van kwantuminformatie die in een zwart gat valt, mogelijk is als de informatie snel in het zwarte gat wordt vervormd. Hoe grondiger het door het zwarte gat wordt gemengd, hoe betrouwbaarder de informatie kan worden opgehaald via teleportatie. Op basis van dit inzicht, Yoshida en Yao stelden vorig jaar een experiment voor om klauteren op een kwantumcomputer aantoonbaar aan te tonen.

"Met ons protocol als je een teleportatiegetrouwheid meet die hoog genoeg is, dan kun je garanderen dat er binnen het kwantumcircuit geknoeid is, " zei Yao. "Dus, toen belden we mijn vriend, Chris Monroe."

Monroe, een fysicus aan de Universiteit van Maryland in College Park, die aan het hoofd staat van een van 's werelds toonaangevende informatiegroepen over ingesloten ionen, besloot het eens te proberen. Zijn groep implementeerde het door Yoshida en Yao voorgestelde protocol en mat effectief een buiten de tijd geordende correlatiefunctie.

OTOC's genoemd, deze eigenaardige correlatiefuncties worden gecreëerd door twee kwantumtoestanden te vergelijken die verschillen in de timing van wanneer bepaalde kicks of verstoringen worden toegepast. De sleutel is om een ​​kwantumtoestand zowel voorwaarts als achterwaarts in de tijd te kunnen evolueren om het effect van die tweede schop op de eerste schop te begrijpen.

De groep van Monroe creëerde een klauterend kwantumcircuit op drie qubits in een kwantumcomputer met ingesloten ionen van zeven qubits en karakteriseerde het resulterende verval van de OTOC. Hoewel het verval van de OTOC doorgaans wordt opgevat als een sterke aanwijzing dat er scrambling heeft plaatsgevonden, om te bewijzen dat ze moesten aantonen dat de OTOC niet simpelweg verviel door decoherentie - dat wil zeggen, dat het niet alleen slecht afgeschermd was van het lawaai van de buitenwereld, waardoor ook kwantumtoestanden uit elkaar vallen.

Yao en Yoshida bewezen dat hoe nauwkeuriger ze de verstrikte of geteleporteerde informatie konden achterhalen, des te strenger konden ze een ondergrens stellen aan de hoeveelheid scrambling die in de OTOC had plaatsgevonden.

Monroe en zijn collega's maten een teleportatiegetrouwheid van ongeveer 80 procent, wat betekent dat misschien de helft van de kwantumtoestand werd vervormd en de andere helft verviel door decoherentie. Hoe dan ook, dit was voldoende om aan te tonen dat er inderdaad sprake was van echte scrambling in dit drie-qubit-quantumcircuit.

"Een mogelijke toepassing voor ons protocol is gerelateerd aan de benchmarking van kwantumcomputers, waar men deze techniek zou kunnen gebruiken om meer gecompliceerde vormen van ruis en decoherentie in kwantumprocessors te diagnosticeren, ' zei Yao.

Yao werkt ook samen met een UC Berkeley-groep onder leiding van Irfan Siddiqi om klauteren in een ander kwantumsysteem te demonstreren. supergeleidende qutrits:kwantumbits met drie, in plaats van twee, staten. Siddiqi, een UC Berkeley hoogleraar natuurkunde, leidt ook de inspanningen van het Lawrence Berkeley National Laboratory om een ​​geavanceerd testbed voor kwantumcomputers te bouwen.

"In de kern dit is een qubit- of qutrit-experiment, maar het feit dat we het kunnen relateren aan kosmologie is omdat we geloven dat de dynamiek van kwantuminformatie hetzelfde is, " zei hij. "De VS lanceert een kwantuminitiatief van een miljard dollar, en het begrijpen van de dynamiek van kwantuminformatie verbindt vele onderzoeksgebieden binnen dit initiatief:kwantumcircuits en informatica, hoge energiefysica, zwart gat dynamiek, fysica van de gecondenseerde materie en atomaire, moleculaire en optische fysica. De taal van kwantuminformatie is alomtegenwoordig geworden voor ons begrip van al deze verschillende systemen."

Afgezien van Yao, Yoshida en Monroe, andere co-auteurs zijn UC Berkeley afgestudeerde student T. Schuster en K.A. Landsman, C. Figgatt en N. M. Linke van het Joint Quantum Institute in Maryland. Het werk werd ondersteund door het ministerie van Energie en de National Science Foundation.