Schwarze Löcher sind Gravitationsmonster, die Gas und Staub wie große kosmische Müllverdichter bis zu einem mikroskopischen Punkt zusammendrücken. Die moderne Physik schreibt vor, dass Informationen über diese Materie nach dem Verzehr für immer für das Universum verloren gehen sollten. Ein neues Experiment legt jedoch nahe, dass es eine Möglichkeit geben könnte, mithilfe der Quantenmechanik einen Einblick in das Innere eines Schwarzen Lochs zu gewinnen.
"In der Quantenphysik können Informationen unmöglich verloren gehen", sagte Kevin Landsman, ein Doktorand der Physik am Joint Quantum Institute (JQI) der University of Maryland im College Park, gegenüber Live Science. "Stattdessen können Informationen unter subatomaren, untrennbar miteinander verbundenen Partikeln versteckt oder verschlüsselt werden".
Landsman und seine Co-Autoren zeigten, dass sie messen konnten, wann und wie schnell Informationen in einem vereinfachten Modell eines Schwarzen Lochs verschlüsselt wurden, um einen potenziellen Einblick in die ansonsten undurchdringlichen Einheiten zu erhalten. Die Ergebnisse, die heute (6. März) in der Zeitschrift Nature erscheinen, könnten auch bei der Entwicklung von Quantencomputern helfen.
Schwarze Löcher sind unendlich dichte, unendlich kleine Objekte, die aus dem Zusammenbruch eines riesigen, toten Sterns entstanden sind, der zur Supernova wurde. Aufgrund ihrer massiven Anziehungskraft saugen sie umgebendes Material an, das hinter dem sogenannten Ereignishorizont verschwindet - dem Punkt, an dem nichts, einschließlich Licht, entkommen kann.
In den 1970er Jahren hat der berühmte theoretische Physiker Stephen Hawking bewiesen, dass Schwarze Löcher im Laufe ihres Lebens schrumpfen können. Nach den Gesetzen der Quantenmechanik - den Regeln, die das Verhalten subatomarer Teilchen in winzigen Maßstäben bestimmen - entstehen Teilchenpaare spontan direkt außerhalb des Ereignishorizonts eines Schwarzen Lochs. Eines dieser Partikel fällt dann in das Schwarze Loch, während das andere nach außen getrieben wird und dabei einen winzigen Smidgeon Energie stiehlt. Über extrem lange Zeiträume hinweg wird genug Energie gestohlen, damit das Schwarze Loch verdunstet, ein Prozess, der als Hawking-Strahlung bekannt ist, wie Live Science zuvor berichtet hat.
Aber im unendlich dichten Herzen des Schwarzen Lochs versteckt sich ein Rätsel. Die Quantenmechanik sagt, dass Informationen über ein Teilchen - seine Masse, sein Impuls, seine Temperatur usw. - niemals zerstört werden können. Die Relativitätsregeln besagen gleichzeitig, dass ein Teilchen, das am Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs vorbeigezoomt ist, sich mit dem unendlich dichten Andrang im Zentrum des Schwarzen Lochs verbunden hat, was bedeutet, dass keine Informationen darüber jemals wieder abgerufen werden können. Versuche, diese inkompatiblen physischen Anforderungen zu lösen, waren bisher erfolglos. Theoretiker, die an dem Problem gearbeitet haben, nennen das Dilemma das Informationsparadoxon des Schwarzen Lochs.
In ihrem neuen Experiment haben Landsman und seine Kollegen gezeigt, wie sie dieses Problem mithilfe des nach außen fliegenden Partikels in einem Hawking-Strahlungspaar lösen können. Da es mit seinem unfehlbaren Partner verstrickt ist, was bedeutet, dass sein Zustand untrennbar mit dem seines Partners verbunden ist, kann die Messung der Eigenschaften des einen wichtige Details über den anderen liefern.
"Man kann die Informationen, die in das Schwarze Loch gefallen sind, wiederherstellen, indem man eine massive Quantenberechnung für diese ausgehenden Daten durchführt", sagte Norman Yao, Physiker an der University of California in Berkeley und Mitglied des Teams, in einer Erklärung.
Die Teilchen in einem Schwarzen Loch haben alle ihre Informationen quantenmechanisch "durcheinander gebracht". Das heißt, ihre Informationen wurden chaotisch so miteinander vermischt, dass es unmöglich sein sollte, sie jemals zu befreien. Ein verwickeltes Teilchen, das in diesem System durcheinander gebracht wird, kann jedoch möglicherweise Informationen an seinen Partner weitergeben.
Dies für ein reales Schwarzes Loch zu tun, ist hoffnungslos kompliziert (und außerdem sind Schwarze Löcher in Physiklabors schwer zu bekommen). Daher schuf die Gruppe einen Quantencomputer, der Berechnungen mit verschränkten Quantenbits oder Qubits durchführte - der grundlegenden Informationseinheit, die beim Quantencomputing verwendet wird. Anschließend stellten sie ein einfaches Modell mit drei Atomkernen des Elements Ytterbium auf, die alle miteinander verwickelt waren.
Mithilfe eines anderen externen Qubits konnten die Physiker feststellen, wann Partikel im Dreiteilchensystem durcheinander geraten waren, und messen, wie durcheinander sie wurden. Noch wichtiger ist, dass ihre Berechnungen zeigten, dass die Partikel spezifisch mit anderen Partikeln in der Umgebung durcheinandergebracht wurden, sagte Raphael Bousso, ein theoretischer Physiker der UC Berkeley, der nicht an der Arbeit beteiligt war, gegenüber Live Science.
"Es ist eine wunderbare Leistung", fügte er hinzu. "Es stellt sich heraus, dass es ein sehr schwieriges Problem ist, zu unterscheiden, welches dieser Dinge tatsächlich mit Ihrem Quantensystem passiert."
Die Ergebnisse zeigen, wie Studien an Schwarzen Löchern zu Experimenten führen, die kleine Feinheiten in der Quantenmechanik untersuchen können, sagte Bousso, die bei der Entwicklung zukünftiger Quantencomputermechanismen hilfreich sein könnten.
