Verwenden von verschränkten Qubits zur Untersuchung schwarzer Löcher

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

Physiker haben mit einem 7-Qubit-Quantencomputer das Verwürfeln von Informationen in einem Schwarzen Loch simuliert und damit eine Zukunft eingeläutet, in der verschlungene 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 an diese Materie geknüpften Informationen - die Natur ihrer Bestandteile, einschließlich ihrer Energie und ihres Impulses - werden chaotisch mit allen anderen Materien und Informationen innerhalb der Singularität im Zentrum des Schwarzen Lochs vermischt, was es unmöglich macht, sie wiederzugewinnen.

Da aus der Quantenmechanik hervorgeht, dass Informationen niemals verloren gehen, selbst wenn diese Informationen in einem Schwarzen Loch verschwinden, führt dies zu einem sogenannten "Informations-Paradoxon für Schwarze Löcher".

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 erst, nachdem sie übermäßig lange gewartet haben - bis das Schwarze Loch auf fast die Hälfte geschrumpft ist Originalgröße.

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

Wie Hawking vorausgesagt hatte, dass größere Schwarze Löcher viel langsamer Hawking-Strahlung "auslaufen" würden, würde ein Schwarzes Loch mit der Masse unserer Sonne weitaus länger als das Alter des Universums verdunsten - während sich schwarze Mikrolöcher in a zerstreuen würden Bruchteil einer Sekunde.

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

Qubits und Quantencomputer.

Dies ist ein Schema 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 verschränkt, wenn sie so eng miteinander verbunden sind, dass der Quantenzustand des einen automatisch den Zustand des anderen bestimmt, unabhängig davon, wie weit sie voneinander entfernt sind.

Einstein hat dies bekanntlich als "gespenstische Aktion in der Ferne" 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 University of California in Berkeley, sagt: „Man kann die Informationen, die in das Schwarze Loch gefallen sind, durch eine massive Quantenberechnung dieser austretenden Hawking-Photonen wiederherstellen.

„Es wird erwartet, dass dies sehr, sehr schwierig ist, aber wenn man der Quantenmechanik Glauben schenken 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 werfen und die austretende Hawking-Strahlung abfragen, können Sie theoretisch den Zustand eines Qubits im Inneren des Schwarzen Lochs bestimmen und ein Fenster in den Abgrund schaffen.

Yao - der sich für das Verständnis der Natur von Quanten - Chao interessiert - und seine Kollegen an der Universität von Maryland und am Perimeter - Institut für Theoretische Physik in Waterloo, Ontario, Kanada, werden ihre Ergebnisse in einem Artikel in der Ausgabe vom 6. März 2005 berichten Zeitschrift Nature.

Quantenteleportation

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

Yao sagt: "Wenn Sie mit unserem Protokoll eine Teleportationstreue messen, die hoch genug ist, können Sie garantieren, dass das Scrambling innerhalb des Quantenstromkreises 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 gefangene Ionen leitet. Die Gruppe implementierte das von Yoshida und Yao vorgeschlagene Protokoll und maß effektiv eine zeitversetzte Korrelationsfunktion.

Diese eigentümlichen Korrelationsfunktionen - OTOCs genannt - werden durch den Vergleich zweier Quantenzustände erzeugt, die sich hinsichtlich des Zeitpunkts unterscheiden, zu dem bestimmte Tritte oder Störungen angewendet werden. Der Schlüssel besteht darin, einen Quantenzustand rechtzeitig vorwärts und rückwärts zu entwickeln, um die Auswirkung des zweiten Tritts auf den ersten Tritt zu verstehen.

Die Gruppe von Monroe erstellte einen Verwürfelungsquantenschaltkreis 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 ein starkes Indiz dafür ist, dass ein Scrambling stattgefunden hat, muss nachgewiesen werden, dass das OTOC nicht einfach aufgrund von Dekohärenz zerfällt - das heißt, dass es nicht nur schlecht gegen das OTOC abgeschirmt ist Rauschen der Außenwelt, wodurch auch Quantenzustände auseinanderfallen.

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

Monroe und seine Kollegen maßen eine Teleportationstreue von ungefähr 80% - was bedeutet, dass vielleicht die Hälfte des Quantenzustands durcheinander gebracht wurde und die andere Hälfte durch Dekohärenz zerfiel. Dies genügte jedoch, um zu demonstrieren, dass in dieser Drei-Qubit-Quantenschaltung tatsächlich eine echte Verwürfelung stattgefunden hatte.

Yao erklärt die Bedeutung dieses Problems: "Eine mögliche Anwendung für unser Protokoll ist das Benchmarking von Quantencomputern, bei dem diese Technik verwendet werden 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, supraleitenden Qutrits, zu demonstrieren - Quantenbits mit drei statt zwei Zuständen.

Siddiqi, Professor für Physik an der University of California in Berkeley, leitet auch die Bemühungen des Lawrence Berkeley National Laboratory, einen fortschrittlichen Quantencomputer-Prüfstand zu bauen Kosmologie ist, weil wir glauben, dass die Dynamik der Quanteninformation die gleiche ist.

„Die USA starten eine Milliarden-Dollar-Quanteninitiative und das Verständnis der Dynamik von Quanteninformationen verbindet viele Forschungsbereiche innerhalb dieser Initiative: Quantenschaltungen und Computing, Hochenergiephysik, Dynamik schwarzer Löcher, Physik kondensierter Materie sowie atomare, molekulare und optische Physik. Die Sprache der Quanteninformation ist für unser Verständnis all dieser unterschiedlichen Systeme allgegenwärtig geworden. “

Ursprünglich bei Scisco Media veröffentlicht