Los agujeros negros reciben su nombre porque su gravedad es tan fuerte que incluso atrapa la luz. Y como la luz no puede salir del agujero negro, la información también sale. Curiosamente, los físicos han demostrado un juego de manos teórico y han encontrado una forma de extraer una partícula de información que cayó en un agujero negro. Su cálculo toca uno de los mayores misterios de la física: cómo toda la información atrapada en un agujero negro se filtra cuando el agujero negro se "evapora". Se cree que esto debería suceder, pero nadie sabe cómo.
Sin embargo, el nuevo esquema debería enfatizar la complejidad del problema de la información del agujero negro, en lugar de resolverlo. “Quizás otros puedan avanzar más en esto, pero no creo que ayude”, dice Don Page, un teórico de la Universidad de Alberta en Edmonton, Canadá, que no participó en el trabajo.
Puede recortar una factura de electricidad, pero no puede destruir información arrojándola a un agujero negro. Esto se debe en parte a que, si bien la mecánica cuántica se ocupa de las probabilidades, como la probabilidad de que un electrón esté en un lugar u otro, las ondas cuánticas que dan estas probabilidades deben evolucionar de una manera predecible, por lo que si conoce la forma de onda en un punto, puede predecirla. exactamente en cualquier momento en el futuro. Sin esta "unitaridad", la teoría cuántica produciría resultados sin sentido como probabilidades que no suman el 100%.
Digamos que está lanzando algunas partículas cuánticas a un agujero negro. A primera vista, las partículas y la información que contienen se pierden. Y esto es un problema, ya que se ha destruido la parte del estado cuántico que describe el sistema combinado de partículas y agujeros negros, lo que hace imposible predecir la evolución exacta y viola la unitaridad.
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Los físicos creen que han encontrado una salida. En 1974, el teórico británico Stephen Hawking argumentó que los agujeros negros pueden emitir partículas y energía. Gracias a la incertidumbre cuántica, el espacio vacío no está realmente vacío, está lleno de partículas emparejadas que periódicamente aparecen y desaparecen. Hawking se dio cuenta de que si un par de partículas que emergen del vacío golpean el borde de un agujero negro, una saldrá volando al espacio y la otra caerá en el agujero negro. Al llevarse la energía del agujero negro, la radiación de Hawking que escapa hace que el agujero negro se evapore lentamente. Algunos teóricos piensan que la información vuelve a aparecer, codificada en radiación de un agujero negro; sin embargo, este es un momento completamente incomprensible, ya que la radiación parece ser completamente aleatoria.
Y así, Aidan Chatwin-Davis, Adam Jermyn y Sean Carroll del Instituto de Tecnología de California en Pasadena han encontrado una buena manera de obtener información de una sola partícula cuántica perdida en un agujero negro utilizando la radiación de Hawking y el extraño concepto de teletransportación cuántica.
La teletransportación cuántica permite a dos socios, Alice y Bob, transferir el delicado estado cuántico de una partícula, como un electrón, a otra. En la teoría cuántica, el espín de un electrón puede dirigirse hacia arriba, hacia abajo o hacia arriba y hacia abajo al mismo tiempo. Este estado se puede describir con un punto en el globo, donde el polo norte significa arriba y el polo sur significa abajo. Las líneas de latitud significan diferentes mezclas de arriba y abajo, y las líneas de longitud significan "fase", o cómo se cruzan las partes superiores e inferiores. Pero si Alice intenta medir este estado, "colapsa" en un escenario u otro, hacia arriba o hacia abajo, destruyendo la información de fase. Por lo tanto, no puede medir el estado y enviar información a Bob, pero debe enviarla intacta.
Para hacer esto, Alice y Bob pueden intercambiar un par adicional de electrones conectados por un enlace cuántico especial: entrelazamiento. El estado de cada partícula en el par entrelazado no está definido, apunta simultáneamente a cualquier punto del globo, pero sus estados están correlacionados, por lo que si Alice mide su partícula del par y descubre que está girando, digamos, hacia arriba, sabrá instantáneamente que el electrón de Bob gira de arriba a abajo. Entonces, Alice tiene dos electrones: uno, cuyo estado quiere teletransportarse, y su mitad del par entrelazado. Bob solo tiene uno de un par confuso.
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Para realizar la teletransportación, Alice usa otra propiedad extraña de la mecánica cuántica: esa medición no solo revela algo sobre el sistema, sino que también cambia su estado. Por lo tanto, Alice toma dos de sus electrones desenredados y realiza una medición que "proyecta" el estado entrelazado sobre ellos. Esta medida rompe el entrelazamiento entre el par de electrones que ella y Bob tienen. Pero al mismo tiempo, conduce al hecho de que el electrón de Bob está en el estado en el que estaba el electrón de Alice, que tuvo que teletransportarse. A través de una medición correcta, Alice transfiere información cuántica de un lado del sistema al otro.
Chatwin-Davis y sus colegas se dieron cuenta de que también podían teletransportar información sobre el estado de un electrón desde un agujero negro. Supongamos que Alice está flotando junto a un agujero negro con su electrón. Captura un fotón del par de radiación Hawking. Como un electrón, un fotón puede girar en ambas direcciones y se enredará con un fotón compañero que cae en un agujero negro. Luego, Alice mide el momento angular total, o giro, del agujero negro: su tamaño y, en términos generales, qué tan uniforme es en relación con un eje en particular. Teniendo estos dos bits de información en sus manos, lanza su electrón, perdiéndolo para siempre.
Pero Alice puede recuperar información sobre el estado de este electrón, según los científicos en el trabajo de Physical Review Letters. Todo lo que tiene que hacer es volver a medir el giro y la orientación del agujero negro. Estas mediciones luego entrelazan el agujero negro y el fotón incidente. También teletransportan el estado del electrón al fotón capturado por Alice. Por lo tanto, la información del electrón perdido se extraerá al Universo observable.
Chatwin-Davis enfatiza que este esquema no es un modelo para un experimento práctico. Al final, Alice necesitará medir instantáneamente el giro de un agujero negro, que tiene la misma masa que el sol. “Bromeamos diciendo que Alice es probablemente la científica más avanzada del universo”, dice.
Este esquema también tiene muchas limitaciones. En particular, como señalan los autores, funciona con una partícula cuántica, pero no con dos o más. Esto se debe a que la receta utiliza el hecho de que el agujero negro retiene el momento angular, por lo que su giro final es igual a su giro inicial más el giro de un electrón. Esto le permite a Alice extraer exactamente dos bits de información, el giro total y su proyección a lo largo de un eje, y esto es suficiente para determinar la latitud y la longitud del estado cuántico de una partícula. Pero esto no es suficiente para recuperar toda la información capturada por el agujero negro.
Para resolver verdaderamente el problema de la información del agujero negro, los teóricos deben tener en cuenta los complejos estados del interior del agujero negro, dice Stefan Leichenhower, teórico de la Universidad de California, Berkeley. “Desafortunadamente, las preguntas más importantes sobre los agujeros negros son sobre el funcionamiento interno”, dice. "Así que este protocolo, que es ciertamente interesante en sí mismo, probablemente nos dirá poco sobre el problema de información de un agujero negro".
