Lỗ đen là những con quái vật hấp dẫn, ép khí và bụi xuống một điểm cực nhỏ giống như máy nén rác vũ trụ vĩ đại. Vật lý hiện đại ra lệnh rằng, sau khi được tiêu thụ, thông tin về vấn đề này sẽ bị mất mãi mãi trong vũ trụ. Nhưng một thí nghiệm mới cho thấy rằng có thể có một cách sử dụng cơ học lượng tử để hiểu rõ hơn về phần bên trong của lỗ đen.
"Trong vật lý lượng tử, thông tin không thể bị mất", Kevin Landsman, một sinh viên tốt nghiệp vật lý tại Viện Lượng tử chung (JQI) tại Đại học Maryland ở College Park, nói với Live Science. "Thay vào đó, thông tin có thể bị ẩn hoặc xáo trộn" giữa các hạt hạ nguyên tử, liên kết chặt chẽ.
Landsman và các đồng tác giả đã chỉ ra rằng họ có thể đo lường thời điểm và tốc độ thông tin được xáo trộn trong một mô hình đơn giản của lỗ đen, cung cấp một cái nhìn tiềm năng vào các thực thể không thể xuyên thủng. Những phát hiện, xuất hiện ngày hôm nay (6 tháng 3) trên tạp chí Nature, cũng có thể giúp phát triển máy tính lượng tử.
Các lỗ đen là vô cùng dày đặc, các vật thể nhỏ vô hạn được hình thành từ sự sụp đổ của một ngôi sao khổng lồ, đã chết đi siêu tân tinh. Do lực hấp dẫn khổng lồ của chúng, chúng hút vật chất xung quanh, biến mất đằng sau cái gọi là chân trời sự kiện của chúng - điểm quá khứ mà không thứ gì, kể cả ánh sáng, có thể thoát ra.
Vào những năm 1970, nhà vật lý lý thuyết nổi tiếng Stephen Hawking đã chứng minh rằng các lỗ đen có thể co lại theo thời gian sống của chúng. Theo định luật cơ học lượng tử - các quy tắc chỉ đạo hành vi của các hạt hạ nguyên tử ở quy mô nhỏ - các cặp hạt tự phát xuất hiện ngay bên ngoài chân trời sự kiện của lỗ đen. Một trong những hạt này sau đó rơi vào lỗ đen trong khi hạt kia bị đẩy ra ngoài, đánh cắp một vệt năng lượng nhỏ trong quá trình này. Trong khoảng thời gian rất dài, đủ năng lượng được chứng minh rằng lỗ đen sẽ bốc hơi, một quá trình được gọi là bức xạ Hawking, như Live Science đã báo cáo trước đây.
Nhưng có một câu hỏi hóc búa ẩn giấu trong trái tim dày đặc vô cùng của hố đen. Cơ học lượng tử nói rằng thông tin về một hạt - khối lượng, động lượng, nhiệt độ và vân vân - không bao giờ có thể bị phá hủy. Các quy tắc tương đối đồng thời tuyên bố rằng một hạt đã phóng to qua chân trời sự kiện của lỗ đen đã kết hợp với khối nghiền dày đặc vô hạn tại trung tâm của lỗ đen, nghĩa là không có thông tin nào về nó có thể được lấy lại. Nỗ lực giải quyết các yêu cầu vật lý không tương thích này đã không thành công cho đến nay; các nhà lý thuyết đã nghiên cứu vấn đề này gọi vấn đề nan giải là nghịch lý thông tin lỗ đen.
Trong thí nghiệm mới của họ, Landsman và các đồng nghiệp đã chỉ ra cách giải quyết vấn đề này bằng cách sử dụng hạt bay ra ngoài trong cặp bức xạ Hawking. Bởi vì nó bị vướng mắc với đối tác không đồng nhất của nó, có nghĩa là trạng thái của nó được liên kết chặt chẽ với đối tác của nó, việc đo các thuộc tính của người này có thể cung cấp các chi tiết quan trọng về người kia.
"Một người có thể khôi phục thông tin rơi vào lỗ đen bằng cách tính toán lượng tử lớn trên những người hướng ngoại này", Norman Yao, nhà vật lý tại Đại học California, Berkeley, và thành viên của nhóm nghiên cứu, cho biết trong một tuyên bố.
Các hạt bên trong một lỗ đen đã có tất cả thông tin của chúng về mặt cơ học "bị xáo trộn". Đó là, thông tin của họ đã được trộn lẫn với nhau theo cách khiến nó không thể thoát ra được. Nhưng một hạt vướng víu bị xáo trộn trong hệ thống này có khả năng truyền thông tin cho đối tác của nó.
Làm điều này cho một lỗ đen trong thế giới thực rất phức tạp (và bên cạnh đó, các lỗ đen rất khó xuất hiện trong các phòng thí nghiệm vật lý). Vì vậy, nhóm đã tạo ra một máy tính lượng tử thực hiện các phép tính bằng cách sử dụng các bit lượng tử vướng víu hoặc qubit - đơn vị thông tin cơ bản được sử dụng trong điện toán lượng tử. Sau đó, họ thiết lập một mô hình đơn giản sử dụng ba hạt nhân nguyên tử của nguyên tố Ytterbium, tất cả đều vướng vào nhau.
Sử dụng một qubit bên ngoài khác, các nhà vật lý đã có thể biết khi nào các hạt trong hệ thống ba hạt trở nên xáo trộn và có thể đo lường mức độ chúng bị xáo trộn. Quan trọng hơn, các tính toán của họ cho thấy các hạt đặc biệt được xáo trộn với nhau thay vì các hạt khác trong môi trường, Raphael Bousso, nhà vật lý lý thuyết của UC Berkeley, người không tham gia vào nghiên cứu, nói với Live Science.
"Đó là một thành tựu tuyệt vời," ông nói thêm. "Hóa ra việc phân biệt cái nào trong số những thứ này thực sự xảy ra với hệ thống lượng tử của bạn là một vấn đề rất khó khăn."
Kết quả cho thấy các nghiên cứu về lỗ đen đang dẫn đến các thí nghiệm có thể thăm dò sự tinh tế nhỏ trong cơ học lượng tử, Bousso nói, có thể trở nên hữu ích trong việc phát triển các cơ chế tính toán lượng tử trong tương lai.
