Os físicos usaram um computador quântico de sete qubit para simular a confusão de informações dentro de um buraco negro, anunciando um futuro no qual bits quânticos emaranhados podem ser usados ​​para sondar o interior misterioso desses objetos bizarros.

Scrambling é o que acontece quando a matéria desaparece dentro de um buraco negro. As informações anexadas a esse assunto - as identidades de todos os seus constituintes, até a energia e o momento de suas partículas mais elementares - é caoticamente misturado com todas as outras matérias e informações internas, aparentemente tornando impossível recuperar.

Isso leva ao chamado "paradoxo da informação do buraco negro, "já que a mecânica quântica diz que a informação nunca é perdida, mesmo quando essa informação desaparece dentro de um buraco negro.

Então, enquanto alguns físicos afirmam que as informações que caem no horizonte de eventos de um buraco negro são perdidas para sempre, outros argumentam que esta informação pode ser reconstruída, mas só depois de esperar uma quantidade excessiva de tempo - até que o buraco negro encolheu para quase metade de seu tamanho original. Os buracos negros encolhem porque emitem radiação Hawking, que é causada por flutuações da mecânica quântica na própria borda do buraco negro e tem o nome do falecido físico Stephen Hawking.

Infelizmente, um buraco negro, a massa do nosso sol levaria cerca de 10 ⁶⁷ anos para evaporar - longe, muito mais do que a idade do universo.

Contudo, há uma lacuna - ou melhor, um buraco de minhoca - fora desse buraco negro. Pode ser possível recuperar essas informações de queda significativamente mais rápido medindo emaranhados sutis entre o buraco negro e a radiação Hawking que ele emite.

Dois bits de informação - como os bits quânticos, ou qubits, em um computador quântico - estão emaranhados quando estão tão intimamente ligados que o estado quântico de um determina automaticamente o estado do outro, não importa o quão distantes eles estejam. Os físicos às vezes se referem a isso como "ação assustadora à distância, "e medições de qubits emaranhados podem levar ao" teletransporte "de informações quânticas de um qubit para outro.

"Pode-se recuperar a informação lançada no buraco negro fazendo um cálculo quântico massivo sobre esses fótons Hawking que saem, "disse Norman Yao, um professor assistente de física da UC Berkeley. "Espera-se que seja realmente, muito difícil, mas se a mecânica quântica é para ser acreditada, deveria, em princípio, seja possível. Isso é exatamente o que estamos fazendo aqui, mas para um minúsculo 'buraco negro' de três qubit dentro de um computador quântico de sete qubit. "

Lançando um qubit emaranhado em um buraco negro e questionando a radiação Hawking emergente, você poderia teoricamente determinar o estado de um qubit dentro do buraco negro, fornecendo uma janela para o abismo.

Yao e seus colegas da Universidade de Maryland e do Perimeter Institute for Theoretical Physics em Waterloo, Ontário, Canadá, relatará seus resultados em um artigo publicado na edição de 6 de março da revista Natureza .

Teletransporte

Yao, que está interessado em compreender a natureza do caos quântico, aprendi com o amigo e colega Beni Yoshida, um teórico do Perimeter Institute, que a recuperação da informação quântica que cai em um buraco negro é possível se a informação é embaralhada rapidamente dentro do buraco negro. Quanto mais completamente ele é misturado ao longo do buraco negro, quanto mais confiável a informação pode ser recuperada via teletransporte. Com base neste insight, Yoshida e Yao propuseram no ano passado um experimento para demonstrar comprovadamente o embaralhamento em um computador quântico.

"Com o nosso protocolo, se você medir uma fidelidade de teletransporte que é alta o suficiente, então você pode garantir que o embaralhamento aconteceu dentro do circuito quântico, "Yao disse." Então, então chamamos meu amigo, Chris Monroe. "

Monroe, um físico da Universidade de Maryland em College Park que lidera um dos principais grupos de informações quânticas de íons presos do mundo, decidiu tentar. Seu grupo implementou o protocolo proposto por Yoshida e Yao e mediu efetivamente uma função de correlação ordenada fora do tempo.

OTOCs chamados, essas funções de correlação peculiares são criadas comparando-se dois estados quânticos que diferem no tempo de quando certos chutes ou perturbações são aplicados. A chave é ser capaz de evoluir um estado quântico para frente e para trás no tempo para entender o efeito daquele segundo chute no primeiro chute.

O grupo de Monroe criou um circuito quântico de embaralhamento em três qubits dentro de um computador quântico de íons aprisionados de sete qubit e caracterizou a decadência resultante do OTOC. Embora a decadência do OTOC seja normalmente considerada uma forte indicação de que ocorreu o embaralhamento, para provar que eles tinham que mostrar que o OTOC não decaiu simplesmente por causa da decoerência, isto é, que não era apenas mal protegido do barulho do mundo exterior, o que também faz com que os estados quânticos se desintegrem.

Yao e Yoshida provaram que quanto maior a precisão com que eles poderiam recuperar as informações emaranhadas ou teletransportadas, quanto mais rigorosamente, eles poderiam colocar um limite inferior na quantidade de embaralhamento que ocorreu no OTOC.

Monroe e seus colegas mediram uma fidelidade de teletransporte de aproximadamente 80 por cento, o que significa que talvez metade do estado quântico foi embaralhado e a outra metade deteriorada pela decoerência. No entanto, isso foi o suficiente para demonstrar que o embaralhamento genuíno havia de fato ocorrido neste circuito quântico de três qubit.

"Uma aplicação possível para o nosso protocolo está relacionada ao benchmarking de computadores quânticos, onde se pode ser capaz de usar esta técnica para diagnosticar formas mais complicadas de ruído e decoerência em processadores quânticos, "Yao disse.

Yao também está trabalhando com um grupo da UC Berkeley liderado por Irfan Siddiqi para demonstrar a codificação em um sistema quântico diferente, qutrits supercondutores:bits quânticos que têm três, ao invés de dois, estados. Siddiqi, um professor de física da UC Berkeley, também lidera o esforço do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley para construir um banco de teste de computação quântica avançada.

"Em seu núcleo, este é um experimento qubit ou qutrit, mas o fato de que podemos relacioná-lo com a cosmologia é porque acreditamos que a dinâmica da informação quântica é a mesma, "disse ele." Os EUA estão lançando uma iniciativa quântica de bilhões de dólares, e compreender a dinâmica da informação quântica conecta muitas áreas de pesquisa dentro desta iniciativa:circuitos quânticos e computação, física de alta energia, dinâmica do buraco negro, física da matéria condensada e atômica, física molecular e óptica. A linguagem da informação quântica tornou-se difusa para a nossa compreensão de todos esses sistemas diferentes. "

Além de Yao, Yoshida e Monroe, outros co-autores são o estudante graduado da UC Berkeley, T. Schuster e K. A. Landsman, C. Figgatt e N. M. Linke do Joint Quantum Institute de Maryland. O trabalho foi apoiado pelo Departamento de Energia e pela National Science Foundation.