Schwarze Löcher haben ihren Namen, weil ihre Schwerkraft so stark ist, dass sie sogar Licht einfängt. Und da das Licht das Schwarze Loch nicht verlassen kann, kommen auch die Informationen heraus. Seltsamerweise haben Physiker theoretisches Geschick gezeigt und einen Weg gefunden, um einen Informationsfleck zu extrahieren, der in ein Schwarzes Loch gefallen ist. Ihre Berechnung berührt eines der größten Rätsel der Physik: Wie alle in einem Schwarzen Loch eingeschlossenen Informationen verloren gehen, wenn das Schwarze Loch "verdunstet". Es wird angenommen, dass dies passieren sollte, aber niemand weiß wie.
Das neue Schema sollte jedoch eher die Komplexität des Informationsproblems des Schwarzen Lochs betonen, als es zu lösen. "Vielleicht können andere noch weiter gehen, aber ich denke nicht, dass es helfen wird", sagt Don Page, ein Theoretiker an der Universität von Alberta in Edmonton, Kanada, der nicht an der Arbeit beteiligt war.
Sie können eine Stromrechnung kürzen, aber Sie können Informationen nicht zerstören, indem Sie sie in ein schwarzes Loch werfen. Dies liegt zum Teil daran, dass sich die Quantenmechanik zwar mit Wahrscheinlichkeiten befasst - wie die Wahrscheinlichkeit, dass sich ein Elektron an dem einen oder anderen Ort befindet -, dass sich die Quantenwellen, die diese Wahrscheinlichkeiten ergeben, auf vorhersagbare Weise entwickeln müssen. Wenn Sie also die Wellenform an einem Punkt kennen, können Sie sie vorhersagen. genau zu jeder Zeit in der Zukunft. Ohne diese "Einheitlichkeit" würde die Quantentheorie bedeutungslose Ergebnisse wie Wahrscheinlichkeiten liefern, die sich nicht zu 100% addieren.
Angenommen, Sie werfen einige Quantenteilchen in ein Schwarzes Loch. Auf den ersten Blick gehen die Partikel und die darin enthaltenen Informationen verloren. Und das ist ein Problem, weil der Teil des Quantenzustands, der das kombinierte System von Teilchen und Schwarzen Löchern beschreibt, zerstört wurde, was es unmöglich macht, die genaue Entwicklung vorherzusagen und die Einheitlichkeit verletzt.
Physiker glauben, einen Ausweg gefunden zu haben. 1974 argumentierte der britische Theoretiker Stephen Hawking, dass Schwarze Löcher Teilchen und Energie emittieren können. Dank der Quantenunsicherheit ist der leere Raum nicht wirklich leer - er ist voller gepaarter Teilchen, die periodisch entstehen und verschwinden. Hawking erkannte, dass, wenn ein Paar Partikel, die aus dem Vakuum austreten, den Rand eines Schwarzen Lochs treffen würde, einer in den Weltraum fliegen und der andere in das Schwarze Loch fallen würde. Die austretende Hawking-Strahlung trägt die Energie des Schwarzen Lochs weg und bewirkt, dass das Schwarze Loch langsam verdunstet. Einige Theoretiker glauben, dass die Informationen wieder erscheinen und in der Strahlung des Schwarzen Lochs kodiert sind - dies ist jedoch ein völlig unverständlicher Moment, da die Strahlung völlig zufällig zu sein scheint.
Und so haben Aidan Chatwin-Davis, Adam Jermyn und Sean Carroll vom California Institute of Technology in Pasadena einen guten Weg gefunden, mithilfe von Hawking-Strahlung und dem seltsamen Konzept der Quantenteleportation Informationen von einem in einem Schwarzen Loch verlorenen Quantenteilchen zu erhalten.
Die Quantenteleportation ermöglicht es zwei Partnern, Alice und Bob, den empfindlichen Quantenzustand eines Teilchens wie eines Elektrons auf ein anderes zu übertragen. In der Quantentheorie kann der Spin eines Elektrons gleichzeitig hoch, runter oder hoch und runter sein. Dieser Zustand kann durch einen Punkt auf dem Globus beschrieben werden, wobei der Nordpol nach oben und der Südpol nach unten bedeutet. Breitengradlinien bedeuten unterschiedliche Mischungen von Auf und Ab, und Längengradlinien bedeuten "Phase" oder wie sich Ober- und Unterseite kreuzen. Aber wenn Alice versucht, diesen Zustand zu messen, "kollabiert" er in dem einen oder anderen Szenario nach oben oder unten und zerstört die Phaseninformationen. Daher kann sie den Zustand nicht messen und Informationen an Bob senden, sondern muss sie unberührt senden.
Zu diesem Zweck können Alice und Bob ein zusätzliches Elektronenpaar austauschen, das durch eine spezielle Quantenbindung - Verschränkung - verbunden ist. Der Zustand jedes Teilchens im verschränkten Paar ist nicht definiert - es zeigt gleichzeitig auf einen beliebigen Punkt auf dem Globus -, aber ihre Zustände sind korreliert. Wenn Alice also ihr Teilchen anhand des Paares misst und feststellt, dass es sich beispielsweise nach oben dreht, weiß sie sofort, dass Bobs Elektron ist dreht sich von oben nach unten. Also hat Alice zwei Elektronen - eines, dessen Zustand sie teleportieren möchte, und ihre Hälfte des verwickelten Paares. Bob hat nur eines von einem verwirrenden Paar.
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Um eine Teleportation durchzuführen, verwendet Alice eine andere seltsame Eigenschaft der Quantenmechanik: Diese Messung enthüllt nicht nur etwas über das System, sondern ändert auch seinen Zustand. Daher nimmt Alice ihre zwei nicht verschränkten Elektronen und führt eine Messung durch, die den verschränkten Zustand auf sie "projiziert". Diese Messung löst die Verschränkung zwischen dem Elektronenpaar, das sie und Bob haben. Gleichzeitig führt dies dazu, dass sich Bobs Elektron in dem Zustand befindet, in dem sich Alices Elektron befand, den sie teleportieren musste. Durch korrekte Messung überträgt Alice Quanteninformationen von einer Seite des Systems zur anderen.
Chatwin-Davis und seine Kollegen erkannten, dass sie auch Informationen über den Zustand eines Elektrons aus einem Schwarzen Loch teleportieren konnten. Angenommen, Alice schwebt mit ihrem Elektron neben einem Schwarzen Loch. Es fängt ein Photon aus dem Hawking-Strahlungspaar ein. Wie ein Elektron kann sich ein Photon in beide Richtungen drehen und wird mit einem Photonenpartner verwickelt, der in ein Schwarzes Loch fällt. Alice misst dann den gesamten Drehimpuls oder Spin des Schwarzen Lochs - seine Größe und grob gesagt, wie gleichmäßig es in Bezug auf eine bestimmte Achse ist. Mit diesen beiden Informationen in den Händen wirft sie ihr Elektron und verliert es für immer.
Laut Wissenschaftlern in der Arbeit an Physical Review Letters kann Alice jedoch Informationen über den Zustand dieses Elektrons wiederherstellen. Alles was sie tun muss, ist den Spin und die Ausrichtung des Schwarzen Lochs erneut zu messen. Diese Messungen verwickeln dann das Schwarze Loch und das einfallende Photon. Sie teleportieren auch den Zustand des Elektrons zu dem von Alice eingefangenen Photon. Somit wird die Information des verlorenen Elektrons in das beobachtbare Universum extrahiert.
Chatwin-Davis betont, dass dieses Schema keine Blaupause für ein praktisches Experiment ist. Letztendlich muss Alice sofort den Spin eines Schwarzen Lochs messen, das die gleiche Masse wie die Sonne hat. "Wir scherzen, dass Alice wahrscheinlich die fortschrittlichste Wissenschaftlerin im Universum ist", sagt er.
Dieses Schema weist auch viele Einschränkungen auf. Insbesondere funktioniert es, wie die Autoren bemerken, mit einem Quantenteilchen, aber nicht mit zwei oder mehr. Dies liegt daran, dass das Rezept die Tatsache verwendet, dass das Schwarze Loch den Drehimpuls beibehält, sodass sein endgültiger Spin gleich seinem anfänglichen Spin plus dem Spin eines Elektrons ist. Dies ermöglicht Alice, genau zwei Informationsbits zu extrahieren - den Gesamtspin und seine Projektion entlang einer Achse - und dies reicht aus, um den Breiten- und Längengrad des Quantenzustands eines Teilchens zu bestimmen. Dies reicht jedoch nicht aus, um alle vom Schwarzen Loch erfassten Informationen wiederherzustellen.
Um das Informationsproblem des Schwarzen Lochs wirklich zu lösen, müssen Theoretiker die komplexen Zustände im Inneren des Schwarzen Lochs berücksichtigen, sagt Stefan Leichenhower, Theoretiker an der University of California in Berkeley. "Leider sind die größten Fragen zu Schwarzen Löchern das Innenleben", sagt er. "Dieses Protokoll, das an sich sicherlich interessant ist, wird uns wahrscheinlich wenig über das Informationsproblem eines Schwarzen Lochs erzählen."