Ett team av forskare har upptäckt att en lag som kontrollerar det bisarra beteendet hos svarta hål ute i rymden - också gäller för kalla heliumatomer som kan studeras i laboratorier.

"Det kallas en intanglement area law, säger Adrian Del Maestro, en fysiker vid University of Vermont som ledde forskningen. Att denna lag förekommer både i den yttre rymdens stora skala och i den lilla atomen, "är konstigt, "Del Maestro säger, "och det pekar på en djupare förståelse av verkligheten."

Den nya studien publicerades 13 mars i tidskriften Naturfysik -och det kan vara ett steg mot en eftersökt kvantteori om gravitation och nya framsteg inom kvantberäkning.

Vid ytan

På 1970 -talet, berömda fysiker Stephen Hawking och Jacob Bekenstein upptäckte något konstigt med svarta hål. De beräknade att när materia faller i ett av dessa bottenlösa hål i rymden, mängden information som det suger upp - vad forskare kallar dess entropi - ökar bara så snabbt som dess yta ökar, inte dess volym. Detta skulle vara som att mäta hur många filer det finns i ett arkivskåp baserat på lådans yta snarare än hur djup lådan är. Som med många aspekter av modern fysik, kolla ditt sunt förnuft vid dörren.

"Vi har funnit att samma typ av lag följs för kvantinformation i överflödigt helium, "säger Del Maestro. För att göra sin upptäckt, UVM:s Del Maestro och tre kollegor från University of Waterloo i Kanada skapade först en exakt simulering av fysiken för extremt kallt helium efter att det omvandlats från en gas till en form av materia som kallas en superfluid:under cirka två grader Kelvin, heliumatomer - som uppvisar den dubbla våg/partikelnatur som Max Planck och andra upptäckte - blir hopklumpade så att de enskilda atomerna inte kan beskrivas oberoende av varandra. Istället, de bildar en kooperativ dans som forskarna kallar quantum entangled.

Med hjälp av två superdatorer, inklusive Vermont Advanced Computing Core vid UVM, forskarna undersökte interaktionen mellan sextiofyra heliumatomer i en supervätska. De fann att mängden intrasslad kvantinformation som delades mellan två områden i en behållare - en sfär av helium som skiljs från den större behållaren - bestämdes av sfärens ytarea och inte dess volym. Som en holograf, det verkar som om en tredimensionell rymdvolym är helt kodad på dess tvådimensionella yta. Precis som ett svart hål.

Denna idé hade gissats från en princip i fysiken som kallades "lokalitet" men hade aldrig observerats tidigare i ett experiment. Genom att använda en fullständig numerisk simulering av alla attribut för helium, forskarna var, för första gången någonsin, kunna påvisa förekomsten av trasselområdeslagen i en verklig kvantvätska.

"Superfluid helium kan bli en viktig resurs - bränslet - för en ny generation kvantdatorer, "säger Del Maestro, vars arbete stöds av National Science Foundation. Men för att utnyttja dess enorma informationsbehandlingspotential, han säger, "vi måste förstå djupare hur det fungerar."

Läskiga stadsdelar

På 1920 -talet, Albert Einstein kallade berömd - och skeptiskt - förtrollning som "spöklik handling på avstånd". Sen den tiden, trassel har visats vara verklig genom många laboratorie- och teoretiska experiment. Istället för att trotsa universums maximala hastighetsgräns-ljusets hastighet-tycks förvirring alltmer visa att vår mänskliga makroskala förståelse av avstånd, och tiden själv, kan vara illusoriskt. Ett par intrasslade partiklar kan ha en kvantkommunikation, verkar "känna" varandras tillstånd direkt över mil. Men denna intuition blandar ihop vår klassiska verklighetssyn med en djupare kvantverklighet där en form av information - entanglement entropi - "delokaliseras, "spridda i ett system, med miljontals möjliga stater, eller "superpositioner, "som bara fixas genom mätning. (Tänk på Schrödingers katt - både död och levande.)

"Förträngning är icke-klassisk information som delas mellan delar av ett kvanttillstånd, "konstaterar Del Maestro. Det är" kvantmekanikens karaktäristiska drag som är mest främmande för vår klassiska verklighet. "

Att kunna förstå, än mindre kontroll, kvantinvikling i komplexa system med många partiklar har visat sig vara svårt. Observationen av en förträngningsområdelag i detta nya experiment pekar mot kvantvätskor, som överflödigt helium, som ett möjligt medium för att börja bemästra intrassling. Till exempel, den nya studien avslöjar att densiteten hos det överflödiga heliumet reglerar mängden intrassling. Det tyder på att laboratorieexperiment och så småningom, kvantdatorer kan manipulera densiteten hos en kvantvätska som en "möjlig vred, "Del Maestro säger, för att reglera intrassling.

Jakt gravitation

Och denna nya forskning har konsekvenser för några grundläggande problem inom fysiken. Än så länge, studiet av tyngdkraften har i stor utsträckning trotsat ansträngningarna att föra den under kvantmekanikens paraply, men teoretiker fortsätter att leta efter kopplingar. "Vår klassiska tyngdkraftsteori är beroende av att veta exakt rymdtidens form eller geometri, "Del Maestro säger, men kvantmekanik kräver osäkerhet om denna form. En bit av bron mellan dessa kan bildas av denna nya undersöknings bidrag till den "holografiska principen":den exotiska påståendet att hela 3D-universum kan förstås som tvådimensionell information-oavsett om det är ett gigantiskt svart hål eller en mikroskopisk pöl av överflödigt helium.