ブラック ホールの名前の由来は、その重力が非常に強く、光さえ逃れられないためです。しかし、奇妙なことに、物理学者は、ブラック ホールに落とされたわずかな情報を取得するためのちょっとした理論上の巧妙な手先を考え出しました。この計算は、物理学における最大の謎の 1 つ、つまり、ブラック ホールが「蒸発」するときに、ブラック ホールに閉じ込められたすべての情報がどのように漏れ出すのかに触れています。多くの理論家は、それが起こるに違いないと考えていますが、その方法を知りません.
彼らにとって残念なことに、新しいスキームは、それを解決するよりも、より大きな「ブラックホール情報問題」の難しさを強調するために多くのことをするかもしれません.カナダのエドモントンにあるアルバータ大学の理論家である Don Page 氏は、この研究には関与していませんが、「他の人はこれをさらに進めることができるかもしれませんが、それが役立つかどうかはわかりません」と述べています。
納税申告書を細断することはできますが、ブラック ホールに放り込んで情報を破壊することはできません。これは、量子力学が確率 (電子がある場所または別の場所にある可能性など) を扱っているとしても、それらの確率を与える量子波は依然として予測可能に進化する必要があるためです。いつでも正確に予測できます。このような「ユニタリティ」量子論がなければ、合計が 100% にならない確率などの無意味な結果が生成されます。
しかし、量子粒子をブラック ホールに放り込んだとします。一見すると、粒子とそれらがエンコードする情報は失われます。これは問題です。結合したブラック ホールと粒子のシステムを記述する量子状態の一部が消去されており、その正確な進化を予測することが不可能になり、単一性に違反しています。
物理学者は、解決策があると考えています。 1974 年、英国の理論家スティーブン ホーキングは、ブラック ホールが粒子とエネルギーを放射できると主張しました。量子の不確実性のおかげで、空いた空間は粒子のペアが存在したり消滅したりして渦巻いています。ホーキング博士は、真空中の粒子のペアがブラック ホールの境界をまたいで存在するようになった場合、一方の粒子が宇宙に飛び出し、もう一方の粒子がブラック ホールに落下する可能性があることに気付きました。ブラック ホールからエネルギーを運び去るホーキング放射は、ブラック ホールをゆっくりと蒸発させるはずです。一部の理論家は、放射線にエンコードされたブラック ホールから情報が再出現するのではないかと疑っています。
今回、パサデナにあるカリフォルニア工科大学の Aidan Chatwin-Davies、Adam Jermyn、および Sean Carroll は、ホーキング放射と量子テレポーテーションの奇妙な概念を使用して、ブラック ホールで失われた 1 つの量子粒子から情報を取得する明示的な方法を発見しました。
量子テレポーテーションでは、アリスとボブの 2 人のパートナーが、電子などの 1 つの粒子の繊細な量子状態を別の粒子に転送できます。量子論では、電子は一方向 (上向き)、逆向き (下向き)、または文字通り同時に両方の方向にスピンすることができます。実際、その状態は、北極が上を意味し、南極が下を意味する地球上の点によって表すことができます。緯度の線は上下のさまざまな混合を表し、経線は「位相」、つまり上下の部分がどのようにかみ合うかを表します。ただし、アリスがその状態を測定しようとすると、位相などの情報を押しつぶして、上または下のいずれかの方法で「崩壊」します。そのため、状態を測定して情報をボブに送信することはできませんが、情報をそのまま転送する必要があります。
そのために、アリスとボブは、エンタングルメントと呼ばれる特別な量子リンクによって接続された追加の電子対を共有できます。絡み合ったペアのいずれかの粒子の状態は不確かであり、地球上のあらゆる場所を同時に指していますが、状態は相関しているため、アリスがペアから粒子を測定し、それが回転している、たとえば上向きに回転しているのを見つけた場合、アリスはすぐにそれを知ることができます。ボブの電子はスピンダウンしています。したがって、アリスは 2 つの電子を持っています。1 つはテレポートしたい状態の電子で、もう 1 つはもつれているペアの半分です。ボブは絡み合ったペアの 1 つだけを持っています。
テレポーテーションを実行するために、アリスは量子力学のもう 1 つの奇妙な特性を利用します。その測定は、システムに関する何かを明らかにするだけでなく、その状態も変化させます。そこで、アリスは絡み合っていない 2 つの電子を取り出して、それらを絡み合った状態に「投影」する測定を実行します。その測定により、彼女とボブが共有する電子対間のもつれが解消されます。しかし同時に、それはボブの電子を彼女のテレポートされる電子があった状態に強制します.まるで、正しい測定で、アリスがシステムの一方の側から他方の側に量子情報を絞り出すようです.
Chatwin-Davies らは、電子の状態に関する情報をブラック ホールからもテレポートできることに気付きました。アリスが電子とともにブラックホールの外に浮いているとします。彼女は、ホーキング放射から生まれたペアから 1 つの光子をキャプチャします。電子と同じように、光子は 2 つの方向のいずれかにスピンすることができ、ブラック ホールに落ちたパートナーの光子と絡み合います。次に、アリスはブラック ホールの総角運動量、つまりスピンを測定します。その大きさと、おおまかに言えば、特定の軸にどのくらい並んでいるかの両方です。この 2 ビットの情報を手にして、彼女は電子を放り込み、それを永遠に失います。
しかし、アリスはまだその電子の状態に関する情報を回復できると、チームは Physical Review Letters で出版中の論文で報告しています。 .彼女がしなければならないことは、ブラックホールのスピンと向きをもう一度測定することだけです。これらの測定値は、ブラックホールと落下する光子を絡ませます。また、電子の状態をアリスが捉えた光子にテレポートします。したがって、失われた電子からの情報は、観測可能な宇宙に引き戻されます。
Chatwin-Davies 氏は、このスキームは実際の実験の計画ではないことを強調しています。結局のところ、アリスが太陽と同じくらい巨大なブラック ホールのスピンを 1 つの原子のスピンの範囲内でほぼ瞬時に測定する必要があります。 「私たちは、アリスが宇宙で最も進んだ科学者であると冗談を言うのが好きです」と彼は言います.
このスキームには大きな制限もあります。特に、著者が指摘しているように、1 つの量子粒子に対しては機能しますが、2 つ以上の粒子に対しては機能しません。これは、このレシピがブラック ホールが角運動量を保存するという事実を利用しているためで、最終的なスピンは最初のスピンに電子のスピンを加えたものに等しくなります。このトリックにより、アリスは正確に 2 ビットの情報 (全スピンと 1 つの軸に沿ったその射影) を取得できます。これは、1 つの粒子の量子状態の緯度と経度を指定するのに十分な情報です。しかし、ブラック ホールに閉じ込められたすべての情報を取り戻すには、ほとんど十分ではありません。ブラック ホールは通常、星が崩壊するときに形成されます。
ブラック ホール情報の問題に実際に取り組むには、理論家はブラック ホール内部の複雑な状態も説明する必要があると、カリフォルニア大学バークレー校の理論家である Stefan Leichenauer は述べています。 「残念ながら、ブラック ホールに関する大きな疑問はすべて、まさにこれらの内部の仕組みに関するものです」と彼は言います。 「したがって、このプロトコルはそれ自体興味深いものですが、おそらくブラック ホール情報の問題全般についてはあまり教えてくれません。」
ただし、ブラック ホールの内部を掘り下げるには、量子力学的な重力理論が必要です。もちろん、そのような理論を開発することは、おそらくすべての理論物理学における最大の目標であり、何十年もの間物理学者を逃してきました.
