Квантовое подслушивание возможно через горизонт событий черной дыры — одну из самых непроницаемых космических границ — по крайней мере, в одном направлении, математически доказали ученые.
Представьте себе, что этот самый экстремальный горизонт мироздания разделяет двух человек, предлагает мысленный эксперимент физик Дэйн Дэниелсон из Чикагского университета в Иллинойсе.
Боб сидит внутри черной дыры, Алиса находится снаружи. У нее есть квантовый объект в суперпозиции — то есть сочетании двух состояний, — и Боб хочет тайно получить информацию о нем.
Квантовые суперпозиции хрупки: внешние воздействия, такие как слабые возмущения среды или измерения, проводимые злонамеренными агентами вроде Боба, могут разрушить суперпозицию, превратив ее в одно, «чистое» состояние. Этот процесс называется декогеренцией.
Помня о том, что никакая информация не может покинуть черную дыру, Боб спрятался в нее. И правильно сделал, пришли к выводу авторы исследования, представленного на Глобальном саммите по физике Американского физического общества в Калифорнии.
Их расчеты показали, что когда Боб нарушает квантовое состояние объекта Алисы, для нее это выглядит так, что из него извлекается максимально возможное количество информации, допустимое законами физики.
По утверждению Дэниелсона, отсюда следуют два важных факта о черных дырах. Во-первых, это означает, что любая черная дыра неизбежно вызывает декогеренцию суперпозиций в своей окрестности — потому что, если бы Алиса могла определить, что наблюдаемая ею декогеренция вызвана подслушиванием Боба, она узнала бы о происходящем внутри горизонта событий, что противоречит современным теориям гравитации. Во-вторых, черные дыры должны разрушать квантовые состояния вокруг себя, извлекая из них максимум информации.
Черные дыры — чемпионы по экстремальному поведению, а теперь найдено еще одно их лидерство: «они могут разрушать квантовые суперпозиции своим мощным гравитационным полем, и делают это максимально эффективно», прокомментировал физик Алекс Лупсаска из Университета Вандербильта в Теннеси. Этот процесс предполагает существование сверхнизкоэнергетических частиц, заполняющих пространство вокруг черных дыр. По мнению Лупсаски, изучение этих частиц должно стать частью усилий по созданию теории квантовой гравитации, которая объединит квантовую теорию и общую теорию относительности Эйнштейна в теорию всего.
«Поскольку черные дыры играют ключевую роль в главных открытых вопросах квантовой гравитации, важно четко понимать, как их квантовые эффекты отличаются от эффектов обычных тел», — говорит Сэм Гралла из Университета Аризоны. По его словам, кандидаты в теории квантовой гравитации можно проверять, сравнивая их предсказания с расчетами исследователей.
Для Дэниелсона эта работа — шаг к пониманию связи структуры пространства-времени с потоком квантовой информации. Например, если бы Боб скрылся внутри сферической оболочки из обычной материи, а не в черной дыре, обмен информацией между ним и Алисой происходил бы иначе. Это может означать, что структура пространства-времени не фундаментальна, а является следствием законов, управляющих обменом квантовой информацией.
«Есть надежда, что это даст нам представление о том, как пространство и время сами по себе могут возникнуть из принципов теории информации», — резюмировал Дэниелсон.