Verwenden von verschränkten Qubits zum Untersuchen von Schwarzen Löchern

Eine aufregende neue Studie, die Kosmologie und Quantencomputer verbindet, zeigt, dass verschränkte Qubits verwendet werden könnten, um das Innere von Schwarzen Löchern zu untersuchen.

Physiker haben einen Sieben-Qubit-Quantencomputer verwendet, um das Verwürfeln von Informationen in einem Schwarzen Loch zu simulieren. Dies läutete eine Zukunft ein, in der verschränkte Quantenbits - Qubits - verwendet werden könnten, um das mysteriöse Innere dieser Raum-Zeit-Objekte zu untersuchen.

Scrambling ist das, was passiert, wenn Materie in einem Schwarzen Loch verschwindet. Die mit dieser Materie verbundenen Informationen - die Art ihrer Bestandteile, einschließlich ihrer Energie und ihres Impulses - werden chaotisch mit allen anderen Materien und Informationen innerhalb der Singularität im Zentrum des Schwarzen Lochs gemischt, was es unmöglich macht, sie wiederzugewinnen.

Da die Quantenmechanik besagt, dass Informationen niemals verloren gehen, selbst wenn diese Informationen in einem Schwarzen Loch verschwinden, führt dies zu einem sogenannten „Informationsparadoxon des Schwarzen Lochs“.

Während einige Physiker behaupten, dass Informationen, die durch den Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs fallen, für immer verloren gehen, argumentieren andere, dass diese Informationen rekonstruiert werden können, jedoch nur, nachdem sie übermäßig lange gewartet haben - bis das Schwarze Loch auf fast die Hälfte geschrumpft ist Originalgröße.

Kosmologen glauben, dass dieses Schrumpfen auf die Emission von Hawking-Strahlung zurückzuführen sein könnte, die durch quantenmechanische Schwankungen am äußersten Rand des Schwarzen Lochs verursacht wird - benannt nach dem verstorbenen Physiker Stephen Hawking.

Als Hawking voraussagte, dass größere Schwarze Löcher Hawking-Strahlung viel langsamer „lecken“ würden, würde ein Schwarzes Loch mit der Masse unserer Sonne viel, viel länger als das Alter des Universums verdunsten - während sich Mikro-Schwarze Löcher innerhalb von a auflösen würden Bruchteil einer Sekunde.

Es gibt jedoch eine Lücke. Es kann möglich sein, diese unfehlbaren Informationen wesentlich schneller abzurufen, indem subtile Verwicklungen zwischen dem Schwarzen Loch und der von ihm emittierten Hawking-Strahlung gemessen werden.

Qubits und Quantencomputer.

Dies ist eine schematische Darstellung des Informationsparadoxons des Schwarzen Lochs. Alice lässt ein Qubit in ein Schwarzes Loch fallen und fragt, ob Bob das Qubit nur mit der ausgehenden Hawking-Strahlung rekonstruieren kann (Norman Yao, UC Berkeley).

Zwei Informationsbits - wie die Quantenbits oder Qubits in einem Quantencomputer - sind verwickelt, wenn sie so eng miteinander verbunden sind, dass der Quantenzustand des einen automatisch den Zustand des anderen bestimmt, egal wie weit sie voneinander entfernt sind.

Einstein hat dies bekanntlich als "gruselige Fernwirkung" bezeichnet, aber es ist genauer, dies als eine Eigenschaft der Mathematik zu betrachten, die zur Beschreibung von Quantensystemen verwendet wird. Messungen von verschränkten Qubits können zur „Teleportation“ - oder sofortigen Übertragung - von Quanteninformationen von einem Qubit zum anderen führen.

Norman Yao, Assistenzprofessor für Physik an der UC Berkeley, sagt: „Man kann die Informationen, die in das Schwarze Loch gefallen sind, wiederherstellen, indem man eine massive Quantenberechnung für diese ausgehenden Hawking-Photonen durchführt.

„Es wird erwartet, dass dies sehr, sehr schwierig ist, aber wenn man an die Quantenmechanik glauben will, sollte dies im Prinzip möglich sein. Genau das machen wir hier, aber für ein winziges Drei-Qubit-Schwarzes Loch in einem Sieben-Qubit-Quantencomputer. “

Indem Sie ein verwickeltes Qubit in ein Schwarzes Loch fallen lassen und die austretende Hawking-Strahlung abfragen, können Sie theoretisch den Zustand eines Qubits im Schwarzen Loch bestimmen und ein Fenster in den Abgrund schaffen.

Yao, der daran interessiert ist, die Natur des Quantenchaos zu verstehen, und seine Kollegen an der University of Maryland und am Perimeter Institute for Theoretical Physics in Waterloo, Ontario, Kanada, werden ihre Ergebnisse in einem Artikel in der Ausgabe vom 6. März des Zeitschrift Nature.

Quantenteleportation

Yao lernte von seinem Freund und Kollegen Beni Yoshida - einem Theoretiker am Perimeter Institute -, dass die Wiederherstellung von Quanteninformationen, die in ein Schwarzes Loch fallen, möglich ist, wenn die Informationen schnell innerhalb des Schwarzen Lochs verschlüsselt werden. Je gründlicher es im gesamten Schwarzen Loch gemischt wird, desto zuverlässiger können die Informationen per Teleportation abgerufen werden. Basierend auf dieser Erkenntnis schlugen Yoshida und Yao letztes Jahr ein Experiment vor, um nachweislich das Verwürfeln auf einem Quantencomputer zu demonstrieren.

Yao sagt: "Wenn Sie mit unserem Protokoll eine Teleportationstreue messen, die hoch genug ist, können Sie garantieren, dass das Verwürfeln innerhalb der Quantenschaltung stattgefunden hat."

Yao entwarf die Hilfe von Chris Monroe, einem Physiker an der University of Maryland im College Park, der eine der weltweit führenden Quanteninformationsgruppen für eingeschlossene Ionen leitet. Die Gruppe implementierte das von Yoshida und Yao vorgeschlagene Protokoll und maß effektiv eine nicht zeitlich geordnete Korrelationsfunktion.

Diese besonderen Korrelationsfunktionen - OTOCs genannt - werden durch Vergleichen von zwei Quantenzuständen erzeugt, die sich im Zeitpunkt der Anwendung bestimmter Tritte oder Störungen unterscheiden. Der Schlüssel besteht darin, einen Quantenzustand zeitlich vorwärts und rückwärts entwickeln zu können, um die Auswirkung des zweiten Tritts auf den ersten Tritt zu verstehen.

Monroes Gruppe schuf eine verschlüsselnde Quantenschaltung auf drei Qubits in einem 7-Qubit-Quantencomputer mit eingeschlossenen Ionen und charakterisierte den resultierenden Zerfall des OTOC. Während der Zerfall des OTOC in der Regel als starkes Indiz dafür angesehen wird, dass ein Verwürfeln stattgefunden hat, um zu beweisen, dass das OTOC nicht einfach aufgrund von Dekohärenz zerfallen musste - das heißt, dass es nicht nur schlecht vor dem OTOC geschützt war Rauschen der Außenwelt, das auch dazu führt, dass Quantenzustände auseinanderfallen.

Yao und Yoshida haben bewiesen, dass je genauer sie die verwickelten oder teleportierten Informationen abrufen konnten, desto strenger konnten sie das Ausmaß der im OTOC aufgetretenen Verwürfelung begrenzen.

Monroe und seine Kollegen haben eine Teleportationstreue von ungefähr 80% gemessen - was bedeutet, dass vielleicht die Hälfte des Quantenzustands verschlüsselt und die andere Hälfte durch Dekohärenz zerfallen ist. Dies reichte jedoch aus, um zu demonstrieren, dass in dieser Drei-Qubit-Quantenschaltung tatsächlich ein echtes Verwürfeln aufgetreten war.

Yao erklärt die Bedeutung davon: „Eine mögliche Anwendung für unser Protokoll ist das Benchmarking von Quantencomputern, bei denen man diese Technik möglicherweise verwenden kann, um kompliziertere Formen von Rauschen und Dekohärenz in Quantenprozessoren zu diagnostizieren.“

Yao arbeitet auch mit einer UC Berkeley-Gruppe unter der Leitung von Irfan Siddiqi zusammen, um das Verwürfeln in einem anderen Quantensystem zu demonstrieren, das supraleitende Qutrits - Quantenbits mit drei statt zwei Zuständen.

Siddiqi, Professor für Physik an der UC Berkeley, leitet auch die Bemühungen des Lawrence Berkeley National Laboratory, ein fortschrittliches Quantencomputer-Testfeld zu bauen, und sagt: „Im Kern handelt es sich um ein Qubit- oder Qutrit-Experiment, aber die Tatsache, dass wir uns darauf beziehen können Kosmologie ist, weil wir glauben, dass die Dynamik der Quanteninformation dieselbe ist.

„Die USA starten eine Milliarden-Dollar-Quanteninitiative. Das Verständnis der Dynamik von Quanteninformationen verbindet viele Forschungsbereiche dieser Initiative: Quantenschaltungen und Computer, Hochenergiephysik, Dynamik des Schwarzen Lochs, Physik der kondensierten Materie sowie atomare, molekulare und optische Physik. Die Sprache der Quanteninformation ist für unser Verständnis all dieser verschiedenen Systeme allgegenwärtig geworden. “

Ursprünglich bei Scisco Media veröffentlicht