Menggunakan Qubit yang Terlibat untuk menyelidiki Lubang Hitam

Sebuah studi baru yang menarik yang menghubungkan kosmologi dan komputasi kuantum - menunjukkan bahwa qubit terjerat dapat digunakan untuk menyelidiki interior lubang hitam.

Fisikawan telah menggunakan komputer kuantum tujuh-qubit untuk mensimulasikan pengacakan informasi di dalam lubang hitam, menandakan masa depan di mana bit kuantum terjerat - qubit - mungkin digunakan untuk menyelidiki interior misterius benda-benda ruang-waktu ini.

Perebutan adalah apa yang terjadi ketika materi menghilang di dalam lubang hitam. Informasi yang melekat pada materi itu - sifat partikel penyusunnya termasuk energi dan momentumnya - secara kacau dicampur dengan semua materi lainnya dan informasi di dalam singularitas di pusat lubang hitam, sehingga mustahil untuk diambil.

Karena mekanika kuantum mengatakan bahwa informasi tidak pernah hilang, bahkan ketika informasi itu menghilang di dalam lubang hitam, ini mengarah pada apa yang disebut "paradoks informasi lubang hitam."

Jadi, sementara beberapa fisikawan mengklaim bahwa informasi yang jatuh melalui cakrawala peristiwa lubang hitam hilang selamanya, yang lain berpendapat bahwa informasi ini dapat direkonstruksi, tetapi hanya setelah menunggu jumlah waktu yang tak terkira - hingga lubang hitam menyusut hampir setengahnya. ukuran asli.

Ahli kosmologi percaya penyusutan ini dapat terjadi akibat emisi radiasi Hawking, yang disebabkan oleh fluktuasi mekanika kuantum di ujung lubang hitam - dinamai menurut almarhum fisikawan Stephen Hawking.

Sebagaimana Hawking meramalkan bahwa lubang hitam yang lebih besar akan 'membocorkan' radiasi Hawking pada kecepatan yang jauh lebih lambat, lubang hitam dengan massa matahari kita akan jauh, jauh lebih lama dari usia alam semesta untuk menguap - sementara lubang hitam mikro akan menghilang dalam suatu sepersekian detik.

Namun, ada celah. Dimungkinkan untuk mengambil informasi yang salah ini secara signifikan lebih cepat dengan mengukur keterikatan halus antara lubang hitam dan radiasi Hawking yang dipancarkannya.

Qubit dan komputasi kuantum.

Ini adalah skema paradoks informasi lubang hitam. Alice menjatuhkan qubit ke dalam lubang hitam dan bertanya apakah Bob dapat merekonstruksi qubit hanya menggunakan radiasi Hawking yang keluar (Norman Yao, UC Berkeley)

Dua bit informasi - seperti bit kuantum, atau qubit, dalam komputer kuantum - terjerat ketika mereka sangat terkait sehingga keadaan kuantum satu secara otomatis menentukan keadaan yang lain, tidak peduli seberapa jauh mereka.

Einstein terkenal menyebutnya sebagai "aksi seram di kejauhan" tetapi lebih tepat untuk menganggap ini sebagai properti matematika yang digunakan untuk menggambarkan sistem kuantum. Pengukuran qubit terjerat dapat menyebabkan "teleportasi" - atau transmisi instan - informasi kuantum dari satu qubit ke yang lain.

Norman Yao, asisten profesor fisika UC Berkeley, mengatakan: "Seseorang dapat memulihkan informasi yang jatuh ke lubang hitam dengan melakukan perhitungan kuantum besar-besaran pada foton Hawking yang keluar ini.

“Ini diharapkan menjadi sangat, sangat sulit, tetapi jika mekanika kuantum dapat dipercaya, pada prinsipnya, itu harus dimungkinkan. Itulah tepatnya yang kami lakukan di sini, tetapi untuk `lubang hitam 'kecil tiga qubit di dalam komputer kuantum tujuh qubit."

Dengan menjatuhkan qubit terjerat ke dalam lubang hitam dan menanyakan radiasi Hawking yang muncul, Anda secara teoritis dapat menentukan status qubit di dalam lubang hitam, memberikan jendela ke jurang.

Yao - yang tertarik untuk memahami sifat kuantum chao - dan rekan-rekannya di Universitas Maryland dan Institut Perimeter untuk Fisika Teoritis di Waterloo, Ontario, Kanada, akan melaporkan hasil mereka dalam sebuah makalah yang muncul dalam edisi 6 Maret jurnal Nature.

Teleportasi Kuantum

Yao belajar dari teman dan kolega, Beni Yoshida - seorang ahli teori di Perimeter Institute - bahwa memulihkan informasi kuantum yang jatuh ke dalam lubang hitam adalah mungkin jika informasi itu diacak dengan cepat di dalam lubang hitam. Semakin menyeluruh dicampur di seluruh lubang hitam, semakin dapat dipercaya informasi tersebut dapat diambil melalui teleportasi. Berdasarkan wawasan ini, Yoshida dan Yao mengusulkan percobaan tahun lalu yang terbukti menunjukkan berebut pada komputer kuantum.

Yao mengatakan: "Dengan protokol kami, jika Anda mengukur kesetiaan teleportasi yang cukup tinggi, maka Anda dapat menjamin bahwa pengacakan terjadi dalam sirkuit kuantum."

Yao menyusun bantuan Chris Monroe, seorang ahli fisika di University of Maryland di College Park yang mengepalai salah satu kelompok informasi kuantum terperangkap ion terkemuka dunia. Kelompok ini mengimplementasikan protokol yang diusulkan oleh Yoshida dan Yao dan secara efektif mengukur fungsi korelasi yang tidak teratur.

Fungsi korelasi aneh ini - disebut OTOCs - dibuat dengan membandingkan dua keadaan kuantum yang berbeda dalam waktu ketika tendangan atau gangguan tertentu diterapkan. Kuncinya adalah mampu mengembangkan keadaan kuantum maju dan mundur pada waktunya untuk memahami efek tendangan kedua terhadap tendangan pertama.

Kelompok Monroe menciptakan sirkuit kuantum pengacak pada tiga qubit dalam komputer kuantum ion-terperangkap tujuh-qubit dan mengkarakterisasi hasil peluruhan OTOC. Sementara pembusukan OTOC biasanya diambil sebagai indikasi kuat bahwa pengacakan telah terjadi, untuk membuktikan bahwa mereka harus menunjukkan bahwa OTOC tidak hanya membusuk karena dekoherensi - yaitu, bahwa itu tidak hanya terlindungi dengan buruk dari kebisingan dunia luar, yang juga menyebabkan keadaan kuantum berantakan.

Yao dan Yoshida membuktikan bahwa semakin besar keakuratan yang mereka gunakan untuk mengambil informasi yang terjerat atau dipindahkan, semakin ketat mereka dapat membatasi jumlah pengacakan yang terjadi di OTOC.

Monroe dan rekan-rekannya mengukur kesetiaan teleportasi sekitar 80% - yang berarti bahwa mungkin setengah dari keadaan kuantum diacak dan setengah lainnya membusuk karena dekoherensi. Namun demikian, ini cukup untuk menunjukkan bahwa pengacakan asli memang terjadi di sirkuit kuantum tiga-qubit ini.

Yao menjelaskan pentingnya hal ini: "Salah satu aplikasi yang memungkinkan untuk protokol kami terkait dengan benchmarking komputer kuantum, di mana orang mungkin dapat menggunakan teknik ini untuk mendiagnosis bentuk kebisingan dan dekoherensi yang lebih rumit dalam prosesor kuantum."

Yao juga bekerja dengan kelompok UC Berkeley yang dipimpin oleh Irfan Siddiqi untuk mendemonstrasikan pengacakan dalam sistem kuantum yang berbeda, superkonduktor qutrits - bit kuantum yang memiliki tiga, bukan dua, status.

Siddiqi, seorang profesor fisika UC Berkeley, juga memimpin upaya di Laboratorium Nasional Lawrence Berkeley untuk membangun pengujian komputasi kuantum tingkat lanjut, mengatakan: "Pada intinya, ini adalah eksperimen qubit atau qutrit, tetapi fakta bahwa kita dapat mengaitkannya dengan kosmologi adalah karena kami percaya dinamika informasi kuantum adalah sama.

"AS meluncurkan inisiatif kuantum miliaran dolar, dan memahami dinamika informasi kuantum menghubungkan banyak bidang penelitian dalam inisiatif ini: sirkuit kuantum dan komputasi, fisika energi tinggi, dinamika lubang hitam, fisika benda terkondensasi dan atom, molekul, dan optik terkondensasi fisika. Bahasa informasi kuantum telah menjadi luas untuk pemahaman kita tentang semua sistem yang berbeda ini. "

Awalnya diterbitkan di media Scisco