Мэгги Мак-Ки

Черные дыры: окончательные квантовые компьютеры?

10:17 13 March 2006
http://www.newscientistspace.com/article/dn8836.html
Maggie McKee
Journal reference: Physical Review Letters (vol 96, no 061302)
Перевод П.Р.Амнуэля

Согласно новым аргументам, почти вся информация, падающая в черную дыру, ускользает обратно. В работе утверждается, что настанет время, когда черные дыры смогут быть использованы как невероятно точные квантовые компьютеры – если будут преодолены громадные теоретические и практические трудности.
Обычно предполагается, что черные дыры разрушают все, что пересекает сферу, называемую «горизонтом событий». Но в семидесятых годах Стивен Хокинг использовал квантовую механику, чтобы показать, что черные дыры могут продуцировать излучение, которое при определенных обстоятельствах полностью испаряется.
На самом деле он предложил аргументы в пользу того, что «хокинговское излучение» настолько случайно, что не может нести информацию о том веществе, которое упало в черную дыру. Но это приходит в противоречие с квантовой механикой, утверждающей, что информация никогда теряться не может. Впоследствии Хокинг изменил свое мнение и в 2004 пришел к выводу, что черные дыры информацию не уничтожают.
«Хокинг свое мнение изменил, но многие другие – нет, - сказал Даниэль Готтесман из института Периметра в Ватерлоо (Канада). – Существует еще много вопросов о том, что реально происходит».

Квантовое запутывание

В настоящее время Сет Ллойд из Массачусетского технологического института в США использовал спорную квантовую модель, называемую проекцией конечного состояния, чтобы попытаться разрешить парадокс. Модель показывает, что при определенных экстремальных условиях – таких, как сильное гравитационное поле черной дыры, - у объектов, которые в обычных обстоятельствах имели бы несколько возможностей развития, остается только одна. Например, черная дыра может заставить монету, проходящую через нее, всегда проходить «решкой».
Это позволяет информации ускользать из черной дыры без каких бы то ни было двусмысленностей относительно того, как ее интерпретировать. Информация ускользает при помощи квантового процесса, называемого запутыванием, в котором объекты не являются независимыми, если они взаимодействуют друг с другом или их проникновение внутрь черной дыры происходило одинаковым образом. Они связаны или перепутаны, так что изменение в одном объекте обязательно приводит к изменению в другом, независимо от того, как далеко друг от друга они находятся.
Излучение Хокинга в черных дырах возникает близко к горизонту событий изнутри и имеет два компонента – один покидает черную дыру, а другой падает в точку сингулярности, которой является сама черная дыра.
Эти компоненты перепутываются, так что, когда вещество, которое всасывается в черную дыру, взаимодействует в сингулярности с выходящим излучением Хокинга, это взаимодействие неизбежно порождает изменение в хокинговском излучении, покидающем черную дыру. Поскольку модель проекции конечного состояния заставляет это взаимодействие происходить единственным образом, это излучение уносит информацию о веществе, находящемся внутри черной дыры.

Разрушение и восстановление

Готтесман и его коллега Джон Прескилл из Калифорнийского технологического института в Пасадене, США, нашли, что прежние вычисления других исследователей, использовавших эту модель, предполагали, что информация ускользает только при определенных взаимодействиях между падающим веществом и выходящим хокинговским излучением. Теперь Ллойд рассчитал, что процесс совершенно общий – случайная природа этих взаимодействий означает, что система перепутана во всех случаях.
Это означает, что выходящее излучение Хокинга почти столько же информации о веществе – подобно космическому кораблю, - сколько падает внутрь черной дыры. Согласно Ллойду, максимум, что может быть потеряно, это половина квантовой единицы информации, то есть 0,5 кубита.
«Пассажирам космического корабля можно гарантировать, что когда они падают внутрь этой черной дыры и разрушаются в сингулярности, их можно восстановить с помощью вышедшей информации, - сказал Ллойд. – С помощью простых предосторожностей путешественники могут получиться в точности такими же, с отличием менее, чем в один атом».
Ллойд сказал также, что его работа предполагает, что черные дыры могут быть использованы как квантовые компьютеры. «Мы могли бы, по существу, определить путь к программированию черной дыры, организовав правильное соотношение падающего вещества», - сказал он.

Миссия невыполнима

Но оба приложения требуют понимания особенностей конкретных черных дыр, - сказал Готтесман. «Вы сможете собрать очень малую часть хокинговского излучения, поскольку звездолет распадется вместе со всем прочим веществом, падающим на черную дыру, - говорит Готтесман. – И вы должны будете рассортировать, какие биты являются космическим кораблем, а какие относятся к другим вещам. Это невозможно».
Ллойд соглашается. Необходимость понимания, как проводить декодирование хокинговского излучения, требует от исследователей совмещения квантовой физики и общей теории относительности в единую теорию квантовой гравитации – это пока еще далекая цель. «Пока мы не поймем квантовую гравитацию, мы не сможем запустить Linux в черной дыре», - шутит он.
Но и вне технических трудностей, по словам Готтесмана, работа имеет более серьезный теоретический недостаток. Несмотря на то, что теряется только половина кубита информации, «из фундаментальной точки зрения следует, что не существует реальной разницы, теряется ли маленький бит информации или очень большое количество, - говорит он. - В стандартной квантовой механике информация вообще не теряется, так что, если он прав, то квантовую механику нужно пересмотреть с учетом возможности потери информации. У нас нет реальной идеи, какая теория могла бы занять это место».