Rudolf Cole
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Les trous noirs sont des monstres gravitationnels, poussant le gaz et la poussière jusqu'à un point microscopique comme de grands compacteurs de déchets cosmiques. La physique moderne dicte qu'après avoir été consommée, les informations sur cette matière devraient être perdues à jamais pour l'univers. Mais une nouvelle expérience suggère qu'il pourrait y avoir un moyen d'utiliser la mécanique quantique pour avoir un aperçu de l'intérieur d'un trou noir.
"En physique quantique, il est impossible de perdre des informations", a déclaré Kevin Landsman, un étudiant diplômé en physique au Joint Quantum Institute (JQI) de l'Université du Maryland à College Park. "Au lieu de cela, les informations peuvent être cachées ou brouillées" parmi des particules subatomiques inextricablement liées.
Landsman et ses co-auteurs ont montré qu'ils pouvaient mesurer quand et à quelle vitesse les informations étaient brouillées dans un modèle simplifié de trou noir, offrant ainsi un aperçu potentiel des entités autrement impénétrables. Les résultats, qui paraissent aujourd'hui (6 mars) dans la revue Nature, pourraient également aider au développement des ordinateurs quantiques. [Les idées les plus farfelues de Stephen Hawking sur les trous noirs]
Les trous noirs sont des objets infiniment petits et infiniment petits formés à partir de l'effondrement d'une étoile géante et morte qui est devenue une supernova. En raison de leur attraction gravitationnelle massive, ils aspirent la matière environnante, qui disparaît derrière ce qu'on appelle leur horizon des événements - le point au-delà duquel rien, y compris la lumière, ne peut s'échapper..
Dans les années 1970, le célèbre physicien théoricien Stephen Hawking a prouvé que les trous noirs peuvent rétrécir au cours de leur vie. Selon les lois de la mécanique quantique - les règles qui dictent le comportement des particules subatomiques à des échelles minuscules - des paires de particules apparaissent spontanément juste à l'extérieur de l'horizon des événements d'un trou noir. L'une de ces particules tombe alors dans le trou noir tandis que l'autre est propulsée vers l'extérieur, volant une petite quantité d'énergie dans le processus. Sur des échelles de temps extrêmement longues, suffisamment d'énergie est volée pour que le trou noir s'évapore, un processus connu sous le nom de rayonnement de Hawking, comme cela a déjà été rapporté..
Mais il y a une énigme cachée dans le cœur infiniment dense du trou noir. La mécanique quantique dit que les informations sur une particule - sa masse, son impulsion, sa température, etc. - ne peuvent jamais être détruites. Les règles de relativité déclarent simultanément qu'une particule qui a zoomé au-delà de l'horizon des événements d'un trou noir s'est jointe à l'écrasement infiniment dense au centre du trou noir, ce qui signifie qu'aucune information à son sujet ne peut plus jamais être récupérée. Les tentatives pour résoudre ces exigences physiques incompatibles ont été infructueuses à ce jour; les théoriciens qui ont travaillé sur le problème appellent le dilemme le paradoxe de l'information du trou noir.
Dans leur nouvelle expérience, Landsman et ses collègues ont montré comment obtenir un certain soulagement pour ce problème en utilisant la particule volante vers l'extérieur dans une paire de rayonnement Hawking. Parce qu'il est enchevêtré avec son partenaire infaillible, ce qui signifie que son état est inextricablement lié à celui de son partenaire, mesurer les propriétés de l'un peut fournir des détails importants sur l'autre..
"On peut récupérer les informations tombées dans le trou noir en effectuant un calcul quantique massif sur ces [particules] sortantes", a déclaré Norman Yao, physicien à l'Université de Californie à Berkeley et membre de l'équipe, dans un communiqué..
Les particules à l'intérieur d'un trou noir ont vu toutes leurs informations «brouillées» de manière quantique. Autrement dit, leurs informations ont été mélangées de manière chaotique d'une manière qui devrait rendre impossible leur extinction. Mais une particule enchevêtrée qui se confond dans ce système pourrait potentiellement transmettre des informations à son partenaire.
Faire cela pour un trou noir du monde réel est désespérément compliqué (et en plus, les trous noirs sont difficiles à trouver dans les laboratoires de physique). Le groupe a donc créé un ordinateur quantique qui effectuait des calculs en utilisant des bits quantiques intriqués, ou qubits - l'unité de base d'information utilisée dans l'informatique quantique. Ils ont ensuite mis en place un modèle simple utilisant trois noyaux atomiques de l'élément Ytterbium, qui étaient tous enchevêtrés les uns avec les autres..
En utilisant un autre qubit externe, les physiciens ont pu dire quand les particules du système à trois particules se sont brouillées et ont pu mesurer leur degré de brouillage. Plus important encore, leurs calculs ont montré que les particules étaient spécifiquement brouillées les unes avec les autres plutôt qu'avec d'autres particules de l'environnement, a déclaré Raphael Bousso, physicien théoricien de l'UC Berkeley qui n'était pas impliqué dans le travail. .
«C'est une magnifique réalisation», a-t-il ajouté. "Il s'avère que distinguer laquelle de ces choses arrive réellement à votre système quantique est un problème très difficile."
Les résultats montrent comment les études sur les trous noirs mènent à des expériences qui peuvent sonder de petites subtilités de la mécanique quantique, a déclaré Bousso, ce qui pourrait devenir utile dans le développement de futurs mécanismes de calcul quantique..
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