実験的な提案が進むにつれて、これは確かに野心を欠いていません。まず、ブラックホールを取ります。次に、量子エンタングルされた 2 番目のブラック ホールを作成します。つまり、ブラック ホールの 1 つに発生するすべてのことは、距離に関係なく、もう 1 つのブラック ホールに影響を与えるように見えます。
残りは少し簡単に聞こえますが、かなり奇妙です。量子粒子にエンコードされた情報を最初のブラック ホールに送ります。それが事象の地平線 (光でさえ逃れられない点) を超えると、情報はブラック ホール全体に急速に塗り付けられ、記憶を超えてスクランブルされるように見えます。
しかし、辛抱強く待ってください。2 つのブラック ホールを正しい方法で関連付けた場合、少し待つと、量子情報が 2 番目のブラック ホールから飛び出し、完全に読み取り可能な形式に再フォーカスされます。そこにたどり着くには、2 つのオブジェクトをリンクする時空の近道、つまりワームホールを通過する必要があります。
少なくとも、それは物理学者が予測したことです。現在、カリフォルニア工科大学の Sepehr Nezami が率いるグループは、この驚くべき実験を実際に実行する方法を提案しており、協力者と協力してアイデアをテストし始めています.
予測が裏付けられれば、この研究は、物理学で最もとらえどころのない理論、つまり量子力学を重力を説明する一般相対性理論と結び付ける理論をどこで探すべきかについての手がかりを提供する可能性があります。そして、良い尺度として、時空は宇宙が展開する基本的な背景ではなく、それ自体が量子もつれによって記述される粒子間の相互接続から織り込まれているという考えを支持するでしょう.
情報の死と復活
ご想像のとおり、この実験では、通常の意味でのブラック ホールは必要ありません。つまり、巨大な星が自らの重力によって無限に小さな体積に崩壊したことを意味します。研究者は、実験室のベンチトップで、ほんの数個の原子またはイオンを使用して行うことができると言います。とはいえ、このアイデアは、天体物理学のブラック ホールに関する理論的研究から生まれました。この研究は、深く不安な問題を解決するのに苦労してきました:これらすべてをむさぼり食う怪物は、情報を不可逆的に破壊するのでしょうか?
エネルギーと同様に、情報は保存則に従うべきだと広く考えられています。つまり、宇宙の情報の総量は常に同じままです。それが量子力学が暗示しているように思われることです:量子実体を記述する波動関数は、情報を保存する方法で常にスムーズに進化し、突然消滅することはありません.
しかし、ブラック ホールは宇宙から情報を取り除いているようです。たとえば、量子ビットまたは「キュービット」がブラック ホールに落ちた場合、事象の地平線の外からは観測できなくなります。
この「ブラック ホール情報のパラドックス」の解決策の 1 つとして、ブラック ホールが事象の地平面から放出する放射線が考えられます。 1970 年代にスティーブン ホーキングによって予測されたホーキング放射は、ブラック ホールが重力エネルギーを失い、質量を失う原因となります。実際、ブラックホールは永遠ではありません。それらはゆっくりと蒸発します。
ホーキング博士は当初、ブラック ホールが完全に蒸発したとしても、それが消費した情報は永遠に失われると信じていました。しかし、AdS/CFT 対応として知られるアイデアは、ホーキング放射の光子がブラック ホールの内部に関する情報をエンコードし、それによってその情報を宇宙全体に戻す方法を示しています。
AdS/CFT 対応は、1997 年に理論物理学者の Juan Maldacena によって仮定され、量子重力理論を追求する最も有望な方向性の 1 つとして広く認識されています。たとえば、4 次元における時空の物理的構造は、3 次元境界での量子論の動作と同等であることを示唆しています。
このつながりは奇妙で、深く、驚くべきものです。反ド・シッター空間として知られる特定の種類の曲率 (したがって重力) を持つ時空を構成すると、それが AdS の部分です。数学的記述は、一種の場の量子論は共形場の理論 (CFT の部分) と呼ばれ、次元が 1 つ少なくなりました。言い換えれば、対応はホログラムのように機能します。高次元の時空投影のすべての情報は、低次元の量子相互作用内にエンコードされます。この「ホログラフィック原理」は、物理学のノーベル賞受賞者であるジェラルド・ト・ホーフトによって最初に提案され、マルダセナの AdS/CFT 通信は、特定の形の時空に対してどのように機能するかについての最初の具体的な図を提供しました。
このビューでは、AdS ユニバースの連続空間のように見えるものは、量子ビットの相互依存性であるエンタングルメントとして CFT 量子ビューに現れます。ここで、マルダセナ氏は、「時空の出現は、高度に絡み合い、高度に相互作用する多数のキュービットを持つシステムで発生するはずです」と述べています。言い換えれば、量子エンタングルメントは、重力を持っているように見える時空を生み出すことができます.重力は、量子効果から紡がれていると言うかもしれません.
ラピッド スクランブラー
これはブラックホールと何の関係があるのでしょうか?ブラックホール情報のパラドックスは、ブラックホールに放り込まれた情報がどうなるかを問うものです。 AdS/CFT 対応は、提案された 1 つの解決策の重要な要素です。これは、量子エンタングルメントがホーキング放射に関する情報を刻印し、それが取り返しのつかないほど失われるのを防ぐ手段を提供するためです。
2004 年、ホーキング自身が次のように説明しました。 AdS/CFT 予想が正しいと仮定すると、ブラック ホールが完全に蒸発する前に、その寿命全体にわたって放射するすべてのホーキング光子を捕捉することで、この情報を復元できます。カリフォルニア大学バークレー校の Norman Yao が説明したように、「あなたが神であり、これらのホーキング光子をすべて収集した場合、[飲み込まれた] キュービット内の情報を再抽出するために行うことができる不敬虔な計算が原則として存在します。」
ブラック ホールの蒸発の中間点まで、内部の情報は隠されています。しかし、その時点以降、ブラック ホールはその情報をホーキング放射で明らかにし始めます。そのため、取得を開始するまでに長い待ち時間があります。そして、1993 年にアルバータ大学の物理学者ドン ペイジが行った議論によると、それは一定の速度で徐々に浸透していきます。
しかし 2007 年に、パトリック・ヘイデンとジョン・プレスキルはこの図を修正し、実際には、中間点以降はそれよりも速く情報が現れることを示しました。奇妙なことに、ブラック ホールが半分蒸発すると、さらにそこに放り込まれた量子ビットの情報は「文字通りすぐに跳ね返ります」と Yao 氏は述べています。これは、ブラック ホールがその段階までに、すでに放出したホーキング放射と非常に量子的に絡み合っているため、それ以上飲み込んだ情報は、それが放出するさらなる放射に一度に効果的に登録されるためです。ヘイデンとプレスキルによると、ブラック ホールは「情報の鏡」のように機能します。
Hayden と Preskill は、ブラック ホールの熱力学と、量子スクランブリングと呼ばれる現象を引き起こす量子情報理論との関連性を突き止めました。この効果は、システムが平衡状態になると、時間の経過とともにシステム内で熱が均等に分散される方法に似ています。これは、熱化と呼ばれるプロセスです。ヤオ氏は、局所的なエネルギーのポケットを含む 2 つのシステムを作成し、それらを接触させることを想像してみてください。エネルギーは、「最初の開始状態の記憶を失い、それらを区別できなくなる」まで、両方のシステム全体に広がります。
スクランブリングは本質的には同じですが、はるかに強力です。ローカルだけでなく、両方のシステム間の相関関係を見ても、2 つのスクランブルされたシステムを区別することはできません。 「スクランブリングは熱化の非常に強力な形態です」と Yao 氏は述べています。 「それは量子情報の非局在化です。」
グーグルとスタンフォード大学の物理学者であるアダム・ブラウンは、「これはシャッフルの量子類似物です。 「注文されたカードのパックから始めた場合、カードを見て明らかなパターンが残っていないと言うと、それはシャッフルされていると言います。これは、完全にランダムに作成したと言っているのと同じではありません。十分に混同されているため、ランダムではないことを知るには非常に洗練されている必要があります。真のランダム性よりもはるかに早く発生します。」
「ほとんどすべての多体量子システムは、最終的にはスクランブルするでしょう」と彼は付け加えました。しかし、ブラックホールは特別です。カードのパックがシャッフルされる速度が使用するテクニックに依存するのと同様に、システムのスクランブリング速度は、そのシステム内の粒子がどのように相互作用するかの詳細に依存します.これらの詳細は、ハミルトニアンと呼ばれる関数によって数学的に記述されます。そして、ブラック ホールを支配するハミルトニアンは、ブラック ホールが量子情報を可能な限り高速にスクランブルすることを意味することが判明しました。
そして、それがヘイデンとプレスキルの結論につながります。ブラック ホールは高速な量子スクランブリング回路のように機能するため、ブラック ホールが自身のホーキング放射と十分に絡み合うと、ブラック ホールに入る新しい情報はその放射に非常に迅速に現れます。
それでも、ブラック ホールとそのホーキング放射が十分に絡み合うまで、つまり、半分蒸発するまで待たなければなりません。
しかし、情報を取得するためのより高速な代替手段があります。ブラック ホールを他の何か (別のブラック ホールなど) と最大限に絡ませます。これは、ニュージャージー州プリンストンにある高等研究所のアーロン・ウォールと協力して、ハーバード大学のピン・ガオとダニエル・ジャフェリスによって2016年に提唱された提案です。このようにブラック ホールのペアをもつれさせることができれば、最初のブラック ホールに飲み込まれたキュービットがもう一方のブラック ホールに登録されると彼らは言いました。 Gao と同僚は、ブラック ホール間にさらに結合を追加することで、量子テレポーテーションと呼ばれるプロセスと正式に同一のブラック ホール間の量子情報の転送を行う方法を示しました。ここでは、2 つの粒子間のエンタングルメントを使用して、一方の量子状態を他方に転送します。ターゲット粒子は最初の粒子と同じように見えます — 実際、空間のある部分から消えて別の部分で再構成された、同じ粒子ではないと言う意味のある方法はありません。 「彼らのもつれは橋のように機能します」とヤオは言いました.
ブラックホールのダイナミクスを備えたシステムは、「可能な限り最速のタイムスケールでのテレポーテーションを可能にします」とヤオは説明しました。これは、それらの 1 つに入った情報がすべての粒子間で迅速に共有されるためです。したがって、2 番目のブラック ホールとのもつれにより、2 番目のブラック ホールとも迅速に共有されます。
量子テレポーテーションは実験的に何度も実証されており、量子デバイス間で安全に暗号化された情報を送信するためにすでに使用されています。ただし、メッセージを即座に送信することはできません。これは、古典的なメカニズムによって送信される追加情報がなければ、信号をデコードできないためです。ランダムに見えます。つまり、信号は光より速く移動できないことを意味します。ヘイデンの元博士課程の学生であるネザミは、これが、ガオと同僚によって提案されたようなスキームが、絡み合いを超えて、ブラックホールを結合するための追加の手段を必要とする理由であると説明しました. 「カップリングの役割は、エンタングルメントの助けを借りて、あるブラック ホールから別のブラック ホールに信号をテレポートする、重要な古典的データを送信することです」と彼は言いました。
これは、少なくとも、量子情報理論家がプロセスをどのように見るかです。しかし、AdS/CFT 対応によると、エンタングルメントによって作成されたブラック ホール間のチャネルは、一般相対性理論に基づく説明では、それらを接続する時空のワームホールに相当します。このビューでは、キュービットが 1 つのブラック ホールに入り、ワームホールを下って別のブラック ホールに移動します。
通常、そのようなワームホールは、一般相対性理論では許可されていますが、通過できないと考えられてきました。つまり、実際には何も送信できませんでした。しかし、Gao、Jafferis、Wall は、量子情報理論とテレポーテーションを (AdS/CFT 画像内で) 使用して、通過可能なワームホールを作成する方法を示しました。
実験的なワームホール
AdS/CFT 対応が現実のものとなれば、根本的な視点の変更が可能になります。原則として、研究者は、量子回路を正しい方法で絡ませ、それらの間で量子ビットをテレポートすることにより、ワームホールに接続されたブラック ホールと完全に同等のシステムを構築できます。
Nezami と Brown は、スタンフォード大学の Leonard Susskind 氏、メリーランド大学カレッジパーク校の Brian Swingle 氏などと協力して、それを実現するための実用的な提案にたどり着きました。このコンテキストで量子粒子のグループをブラック ホールのように振る舞わせるために必要なことは、それらの相互作用にハミルトニアンを割り当てて、非常に高速なスクランブラーにすることだと彼らは言います。
実際、量子スクランブリングは、昨年初めて明確に実証されただけです。ヤオと彼の同僚であるベニ・ヨシダによる実験的提案を採用して、メリーランド州のクリストファー・モンローと彼の同僚は、量子状態が絡み合った電気的にトラップされたイオンから作られた量子回路を作成しました。このような実際のシステムでは、古典的なノイズや、特に量子デコヒーレンスなどの他の手に負えないプロセスの中で、スクランブルを見つけるのは難しい場合があります。スクランブリングと同様に、デコヒーレンスは粒子の相互作用とその結果としてのもつれから生じますが、この場合、それらは量子システム自体を取り巻く環境内の粒子です。デコヒーレンスが進行するにつれて、情報は環境に漏れ出し、本質的に永久に失われます。デコヒーレンスを完全に回避することは不可能であるため、量子コンピューターのバグベアになっています。デコヒーレンスが情報をランダム化する前に、すべての量子計算を完了する必要があります。
通常、デコヒーレンスはスクランブリングよりも速く発生する傾向があるため、後者を明確に確認することは非常に困難でした.モンローのチームは、それぞれが単一のキュービットとして機能する、一列に並んだ 7 つの結合したイッテルビウム イオンから作られた回路でエンコードされた量子テレポーテーション アルゴリズムを使用して、2 つを区別する方法を見つけました。このプロセス (実際には量子計算) は、列の端から端まで単一の量子ビットをテレポートさせました。スクランブリングの速度を測定するために、研究者は、アルゴリズムが順方向に進化したときと逆方向に進化したときのテレポーテーション プロセスを比較しました (あたかもそれが「時間的に逆方向」に起こっているかのように)。スクランブルがなければ、2 つのプロセスは相関したままです。しかし、スクランブリングによって、特定の量子ビットに最初にエンコードされた情報が他の量子ビットに分散されるため、順方向と逆方向の計算の結果の相関が低くなります。システムは初期状態から変化したため、テレポーテーションを正確に元に戻すことはできません。 「それらが相関している場合、多くは起こっていません」とモンローは言いました。 「しかし、スクランブリングがあれば、相関関係はゼロになります。」それが時間の経過とともに彼らが見たものです。
ブラウンと同僚は現在、量子ビットをテレポートできる通過可能なワームホールのために Gao、Jafferis、および Wall によって想定された状況の単純な類似物を構築するために、これらに非常によく似た量子回路を使用できることを示唆しています。彼らが想像するバージョンでは、2 つのブラック ホールのそれぞれが、わずか数個の量子ビットで構成されており、それらすべてが互いに最大限に絡み合っています。彼らのプロトコルは、これら 2 つのキュービット グループ間にさらなる相互作用を導入します。これは、Gao と同僚がテレポーテーション プロセスを完了するために必要な追加のチャネルとして機能します。
直観によれば、電磁トラップ内の少数のイオンは、光が逃げられない崩壊した星のようなものではありません。 AdS/CFT 対応が正しければ、これらの実験は実験室でのブラック ホールの類似物以上のものになるでしょう。 2 つのタイプのシステムは完全に同等です。結合イオンはまさに、AdS 空間で (非常に小さい) ブラック ホールがどのように見えるかです。これは、マルダセナの予想が宇宙の構成について現実的なことを教えてくれるとすれば、何が何であるかについての私たちの直感がどのようになるかを示しています。
新しいつながり
昨年 10 月、メリーランド州の同僚であるモンローとのチャットで、スウィングルは彼のワームホールのような量子回路について説明しました。モンローは、それが彼のチームが量子スクランブリングを実証するために使用した種類の回路であることを多かれ少なかれ正確に認識していました.モンローは、量子エンタングルメントを使用してブラック ホールから量子情報を回復するというヘイデンとプレスキルのアイデアを認識していましたが、彼のチームは、重力との関係について実際に考えずに、単に量子スクランブリングを実証するために回路を選択したと述べました.
Swingle と同僚が考案した回路が実際に構築できる場合、彼らが予測する効果を探すのはかなり簡単なはずです。それはできますか？ 「もちろんです」とモンローは言いました。まず、2 つのブラックホール型キュービット システムの 1 つに供給された量子ビットの情報がスクランブルされ、消失したように見えることが予想されます。しかし、予測可能な時間が経過すると、ワームホールを飛び降りて、別のグループのキュービットで、スクランブルが解除された状態で再び飛び出します。驚くべきことは、情報が転送されることではなく、2 つのシステムが結合されていることです。それは、最初の「ブラック ホール」によって完全にスクランブルされたにもかかわらず、解読する必要のない読み取り可能な形式で情報が再表示されることです。
この段階では、量子回路を使用した実験では、一般相対性理論によって記述される、私たちが住む時空間の単純化されたおもちゃのモデルのみを作成することが期待できます。 「目標がアインシュタインの方程式によって支配される時空を取得することである場合、それを生成することが知られている唯一のシステムは非常に特殊であり、おそらく研究室で作成するのは難しいでしょう.」しかし、彼は、「これらの著者の目標は、(すべてではありませんが) いくつかの重力機能を備えた複雑なシステムを作成することですが、実際に実行できるほど単純なシステムを作成することです」と付け加えています。
そのような実験の結果が予測を裏付ける場合、AdS/CFT 対応は正しいことが証明されますか?それはあなたの見方次第です。これらの量子回路の理論的分析には、標準的な量子理論と完全に一致しないものは何もありません。しかし、ワームホールに沿った通路として、重力の言葉で何が起こっているかを説明する方が簡単で経済的です。 「シュレディンガー方程式を使ってすべてを説明できますが、ブラック ホールを呼び出すもっと簡単な説明があります」とブラウンは言いました。
そして、物理学の目標は、そのような経済を探し、その説明に意味のある現実を帰することではないでしょうか?たとえば、超伝導 (もう 1 つの量子現象) は、純粋に電子波動関数の観点から説明できます。しかし、「準粒子」図を使用する方がはるかに簡単です。つまり、絡み合った電子のいわゆるクーパー対を考えてみましょう。私たちはこれらの準粒子の現実に疑問を抱いていません — では、なぜキュービット ワームホールの現実を否定しなければならないのでしょうか?
このため、モンロー氏は、「原子の観察から、原子とは何の関係もないこと、つまりブラック ホールについて学ぶことができるかもしれません」と述べています。また、多キュービット システムを使用した実験のより野心的なバージョンでは、時空自体の興味深い特性が明らかになる可能性があります。 「これらの実験を行うことができれば、量子システムからの時空の出現のより多くの側面をテストできる、より複雑な絡み合ったシステムを作成することが可能になるかもしれません」と Maldacena は言いました。 Nezami は次のように付け加えました。「この種の洗練された実験は、ひも理論の数学の実験的プローブを提供することさえできます。」
そのような実験の見通しについて、Swingle は、具体的な計画はまだ出ていないが、量子スクランブリング回路をこれらの遠いアイデアの直接テストに適応させることについて、さまざまな実験家と話している.しかし、会話自体はマイルストーンのようなものです。 「ここでは、量子重力の理論物理学者が実験原子物理学者と話をしています」とブラウンは言いました。 「歴史的に、彼らは物理学科のどの 2 つのグループよりも離れていました。これは新しいことであり、素晴らしいことです。」
この記事はに転載されました TheAtlantic.com .
