Fysiker har använt en sju-qubit kvantdator för att simulera kryptering av information i ett svart hål, varslar en framtid där sammanflätade kvantbitar kan användas för att undersöka de mystiska interiörerna i dessa bisarra föremål.

Scrambling är vad som händer när materia försvinner inuti ett svart hål. Den information som bifogas den saken - identiteten på alla dess beståndsdelar, ner till energin och momentumet i dess mest elementära partiklar - blandas kaotiskt med all annan materia och information inuti, till synes gör det omöjligt att hämta.

Detta leder till en så kallad "informationsparadox för svarta hål, "eftersom kvantmekanik säger att information aldrig går förlorad, även när den informationen försvinner inuti ett svart hål.

Så, medan vissa fysiker hävdar att information som faller genom händelsehorisonten för ett svart hål förloras för alltid, andra hävdar att denna information kan rekonstrueras, men bara efter att ha väntat oerhört mycket tid - tills det svarta hålet har krympt till nästan hälften av sin ursprungliga storlek. Svarta hål krymper eftersom de avger Hawking -strålning, som orsakas av kvantmekaniska fluktuationer i ytterkanten av det svarta hålet och är uppkallad efter den sena fysikern Stephen Hawking.

Tyvärr, ett svart hål massan av vår sol skulle ta cirka 10 ⁶⁷ år att förångas - långt, långt längre än universums ålder.

Dock, det finns ett kryphål - eller snarare, ett maskhål - ur detta svarta hål. Det kan vara möjligt att hämta denna infallande information betydligt snabbare genom att mäta subtila sammanfogningar mellan det svarta hålet och Hawking -strålningen som den avger.

Två bitar information - som kvantbitarna, eller qubits, i en kvantdator - trasslar in sig när de är så nära kopplade att den enas kvanttillstånd automatiskt bestämmer den andra, oavsett hur långt ifrån varandra de är. Fysiker kallar det ibland "spöklik handling på avstånd, "och mätningar av intrasslade qubits kan leda till" teleportering "av kvantinformation från en qubit till en annan.

"Man kan återställa informationen som tappats i det svarta hålet genom att göra en massiv kvantberäkning på dessa utgående Hawking -fotoner, "sa Norman Yao, en UC Berkeley biträdande professor i fysik. "Detta förväntas bli riktigt, Riktigt svår, men om man vill tro kvantmekanik, det borde, i princip, vara möjligt. Det är precis vad vi gör här, men för ett litet tre-qubitigt 'svart hål' inuti en sju-qubit kvantdator. "

Genom att släppa en intrasslad qubit i ett svart hål och fråga efter Hawking -strålningen, du kan teoretiskt bestämma tillståndet för en qubit inuti det svarta hålet, ger ett fönster in i avgrunden.

Yao och hans kollegor vid University of Maryland och Perimeter Institute for Theoretical Physics i Waterloo, Ontario, Kanada, kommer att rapportera sina resultat i ett papper som publicerades i tidningen den 6 mars Natur .

Teleportation

Yao, som är intresserad av att förstå kvantkaosets natur, lärt sig av vän och kollega Beni Yoshida, en teoretiker vid Perimeter Institute, att återhämtning av kvantinformation som faller ner i ett svart hål är möjligt om informationen krypteras snabbt inuti det svarta hålet. Ju mer grundligt det blandas genom det svarta hålet, desto mer pålitligt kan informationen hämtas via teleportation. Baserat på denna insikt, Yoshida och Yao föreslog förra året ett experiment för att bevisligen visa kryptering på en kvantdator.

"Med vårt protokoll, om du mäter en teleportationstrohet som är tillräckligt hög, då kan du garantera att kryptering hände inom kvantkretsen, "Sa Yao." Så, då ringde vi upp min kompis, Chris Monroe. "

Monroe, en fysiker vid University of Maryland i College Park som leder en av världens ledande kvantinformationsgrupper med fångade joner, bestämde mig för att prova. Hans grupp implementerade det protokoll som föreslogs av Yoshida och Yao och mätte effektivt en tidsbeställd korrelationsfunktion.

Kallas OTOC, dessa säregna korrelationsfunktioner skapas genom att jämföra två kvanttillstånd som skiljer sig i tidpunkten för när vissa sparkar eller störningar tillämpas. Nyckeln är att kunna utveckla ett kvanttillstånd både framåt och bakåt i tid för att förstå effekten av den andra sparken på den första sparken.

Monroes grupp skapade en krypterande kvantkrets på tre qubits inom en sju-bitars fångad jonkvantdator och karakteriserade det resulterande förfallet av OTOC. Medan förfallet av OTOC vanligtvis tas som en stark indikation på att kryptering har inträffat, för att bevisa att de var tvungna att visa att OTOC inte bara förfallit på grund av dekoherens - det vill säga att det inte bara var dåligt skyddat från omvärldens buller, vilket också får kvanttillstånd att falla sönder.

Yao och Yoshida bevisade att ju större noggrannhet de kunde hämta sammanviken eller teleporterad information med, desto strängare kunde de sätta en nedre gräns för mängden kryptering som hade inträffat i OTOC.

Monroe och hans kollegor mätte en teleportationstrohet på cirka 80 procent, vilket betyder att kanske hälften av kvanttillståndet förvrängdes och den andra halvan förfallna av avkoherens. Ändå, detta var tillräckligt för att visa att äkta kryptering verkligen hade inträffat i denna tre-qubit kvantkrets.

"En möjlig applikation för vårt protokoll är relaterad till benchmarking av kvantdatorer, där man kanske kan använda denna teknik för att diagnostisera mer komplicerade former av buller och dekoherens i kvantprocessorer, "Sa Yao.

Yao arbetar också med en UC Berkeley -grupp under ledning av Irfan Siddiqi för att demonstrera kryptering i ett annat kvantsystem, supraledande qutrits:kvantbitar som har tre, snarare än två, stater. Siddiqi, en professor i fysik vid UC Berkeley, leder också ansträngningen vid Lawrence Berkeley National Laboratory för att bygga en avancerad kvantberäkningstestbädd.

"I grunden detta är ett qubit- eller qutrit -experiment, men det faktum att vi kan relatera det till kosmologi är för att vi tror att dynamiken i kvantinformation är densamma, "sa han." USA lanserar ett kvantinitiativ på miljarder dollar, och att förstå dynamiken i kvantinformation kopplar samman många forskningsområden inom detta initiativ:kvantkretsar och datorer, hög energi fysik, svart håls dynamik, kondenserad materia fysik och atom, molekylär och optisk fysik. Kvantinformationens språk har blivit genomgående för vår förståelse av alla dessa olika system. "

Bortsett från Yao, Yoshida och Monroe, andra medförfattare är UC Berkeley doktorand T. Schuster och K. A. Landsman, C. Figgatt och N. M. Linke från Marylands Joint Quantum Institute. Arbetet stöddes av Department of Energy och National Science Foundation.