Les trous noirs tirent leur nom parce que leur gravité est si forte qu'elle emprisonne même la lumière. Et comme la lumière ne peut pas quitter le trou noir, l'information sort également. Curieusement, les physiciens ont fait preuve d'un tour de passe-passe théorique et ont trouvé un moyen d'extraire un grain d'information tombé dans un trou noir. Leur calcul touche à l'un des plus grands mystères de la physique: comment toutes les informations piégées dans un trou noir s'échappent alors que le trou noir «s'évapore». On pense que cela devrait arriver, mais personne ne sait comment.
Cependant, le nouveau schéma devrait plutôt mettre l'accent sur la complexité du problème d'information des trous noirs, plutôt que de le résoudre. «Peut-être que d'autres pourront aller plus loin dans ce domaine, mais je ne pense pas que cela aidera», déclare Don Page, théoricien à l'Université de l'Alberta à Edmonton, au Canada, qui n'a pas participé aux travaux.
Vous pouvez réduire une facture d'électricité, mais vous ne pouvez pas détruire des informations en les jetant dans un trou noir. C'est en partie parce que, bien que la mécanique quantique traite des probabilités - comme la probabilité qu'un électron se trouve à un endroit ou à un autre - les ondes quantiques qui donnent ces probabilités doivent évoluer de manière prévisible, donc si vous connaissez la forme d'onde à un moment donné, vous pouvez la prédire. exactement à tout moment dans le futur. Sans cette «unitarité», la théorie quantique produirait des résultats dénués de sens comme des probabilités qui ne totalisent pas 100%.
Disons que vous jetez des particules quantiques dans un trou noir. À première vue, les particules et les informations qu'elles contiennent sont perdues. Et c'est un problème, puisque la partie de l'état quantique décrivant le système combiné de particules et de trous noirs a été détruite, ce qui rend impossible de prédire l'évolution exacte et viole l'unitarité.
Les physiciens pensent avoir trouvé une issue. En 1974, le théoricien britannique Stephen Hawking soutenait que les trous noirs pouvaient émettre des particules et de l'énergie. Grâce à l'incertitude quantique, l'espace vide n'est pas vraiment vide - il est plein de particules appariées qui apparaissent périodiquement et disparaissent. Hawking s'est rendu compte que si une paire de particules émergeant du vide frappait le bord d'un trou noir, l'une s'envolerait dans l'espace et l'autre tomberait dans le trou noir. Emportant l'énergie du trou noir, le rayonnement Hawking qui s'échappe provoque une lente évaporation du trou noir. Certains théoriciens pensent que l'information réapparaît, étant encodée dans le rayonnement du trou noir - cependant, c'est un moment complètement incompréhensible, car le rayonnement semble être complètement aléatoire.
Ainsi, Aidan Chatwin-Davis, Adam Jermyn et Sean Carroll du California Institute of Technology à Pasadena ont trouvé un bon moyen d'obtenir des informations à partir d'une seule particule quantique perdue dans un trou noir en utilisant le rayonnement de Hawking et l'étrange concept de téléportation quantique.
La téléportation quantique permet à deux partenaires, Alice et Bob, de transférer le délicat état quantique d'une particule, comme un électron, à une autre. Dans la théorie quantique, le spin d'un électron peut être dirigé vers le haut, vers le bas ou vers le haut et vers le bas en même temps. Cet état peut être décrit par un point sur le globe, où le pôle nord signifie en haut et le pôle sud signifie en bas. Les lignes de latitude signifient différents mélanges de haut et de bas, et les lignes de longitude signifient «phase», ou comment les sommets et les bas se croisent. Mais si Alice essaie de mesurer cet état, il "s'effondre" dans un scénario ou un autre, vers le haut ou vers le bas, détruisant les informations de phase. Par conséquent, elle ne peut pas mesurer l'état et envoyer des informations à Bob, mais doit les envoyer intactes.
Pour ce faire, Alice et Bob peuvent échanger une paire supplémentaire d'électrons connectés par une liaison quantique spéciale - l'intrication. L'état de chaque particule de la paire intriquée n'est pas défini - il pointe simultanément vers n'importe quel point du globe - mais leurs états sont corrélés, donc si Alice mesure sa particule à partir de la paire et découvre qu'elle tourne, disons, vers le haut, elle saura instantanément que l'électron de Bob tourne de haut en bas. Ainsi, Alice a deux électrons - un, l'état duquel elle veut se téléporter, et sa moitié de la paire intriquée. Bob n'en a qu'un d'une paire déroutante.
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Pour effectuer la téléportation, Alice utilise une autre propriété étrange de la mécanique quantique: cette mesure révèle non seulement quelque chose sur le système, mais change également son état. Par conséquent, Alice prend deux de ses électrons non enchevêtrés et effectue une mesure qui «projette» sur eux l'état intriqué. Cette mesure rompt l'intrication entre la paire d'électrons qu'elle et Bob ont. Mais en même temps, cela conduit au fait que l'électron de Bob est dans l'état dans lequel se trouvait l'électron d'Alice, qu'elle a dû téléporter. Grâce à une mesure correcte, Alice transfère les informations quantiques d'un côté du système à l'autre.
Chatwin-Davis et ses collègues ont réalisé qu'ils pouvaient également téléporter des informations sur l'état d'un électron à partir d'un trou noir. Supposons qu'Alice flotte à côté d'un trou noir avec son électron. Il capture un photon de la paire de rayonnement Hawking. Comme un électron, un photon peut tourner dans les deux sens et sera empêtré avec un partenaire photonique qui tombe dans un trou noir. Alice mesure ensuite le moment angulaire total, ou spin, du trou noir - sa taille et, grosso modo, son uniformité par rapport à un axe particulier. Ayant ces deux informations entre ses mains, elle jette son électron, le perdant à jamais.
Mais Alice peut récupérer des informations sur l'état de cet électron, selon les scientifiques du travail sur Physical Review Letters. Tout ce qu'elle a à faire est de mesurer à nouveau la rotation et l'orientation du trou noir. Ces mesures enchevêtrent alors le trou noir et le photon incident. Ils téléportent également l'état de l'électron vers le photon capturé par Alice. Ainsi, les informations de l'électron perdu seront extraites dans l'Univers observable.
Chatwin-Davis souligne que cette conception n'est pas un modèle pour une expérience pratique. En fin de compte, Alice devra mesurer instantanément la rotation d'un trou noir, qui a la même masse que le soleil. «Nous plaisantons en disant qu'Alice est probablement le scientifique le plus avancé de l'univers», dit-il.
Ce schéma présente également de nombreuses limitations. En particulier, comme le notent les auteurs, il fonctionne avec une particule quantique, mais pas avec deux ou plus. En effet, la recette utilise le fait que le trou noir conserve son moment angulaire, de sorte que son spin final est égal à son spin initial plus le spin d'un électron. Cela permet à Alice d'extraire exactement deux bits d'information - le spin total et sa projection le long d'un axe - et cela suffit pour déterminer la latitude et la longitude de l'état quantique d'une particule. Mais cela ne suffit pas pour récupérer toutes les informations captées par le trou noir.
Pour vraiment résoudre le problème de l'information sur le trou noir, les théoriciens doivent tenir compte des états complexes de l'intérieur du trou noir, explique Stefan Leichenhower, théoricien à l'Université de Californie à Berkeley. «Malheureusement, les plus grandes questions sur les trous noirs concernent le fonctionnement interne», dit-il. "Donc ce protocole, qui est certainement intéressant en lui-même, nous en dira probablement peu sur le problème d'information d'un trou noir."
