Misurare la radiazione di Hawking potrebbe dirci cosa succede alla materia che scompare dentro un buco nero

Un nuovo metodo per analizzare l’entanglement delle particelle criptate potrebbe dirci come l’Universo mantenga traccia delle informazioni contenute nelle particelle che scompaiono nei buchi neri. L’idea non permetterà di ottenere informazioni quantiche, ma potrà almeno dirci cosa è successo.
I fisici Beni Yoshida del Perimeter Institute in Canada e Norman Yao dell’Università della California, hanno proposto un modo per distinguere le informazioni quantiche codificate dal rumore di fondo senza senso. Si tratta di un concetto che promette una serie di potenziali applicazioni nel campo emergente della tecnologia quantistica, e che proprio nel farci capire cosa succede nei luoghi più paradossali dell’Universo potrebbe ottenere i migliori risultati dal punto di vista della fisica. “Al suo centro, questo è un esperimento qubit o qutrit, ma il fatto che possiamo collegarlo alla cosmologia è perché crediamo che la dinamica dell’informazione quantistica sia la stessa“, dice un collega di Yoshida, Irfan Siddiqi, che non direttamente coinvolto nello studio.
I buchi neri sono il luogo dove l’estremamente piccolo incontra l’estremamente grande. Grazie alle loro intense concentrazioni di massa che comprimono la materia, nello studio sui buchi neri gli stati quantici diventano molto più importanti di quando parliamo dei comportamenti dei pianeti e delle stelle. Una grande domanda cui i fisici cercano risposta è quella su cosa accade alle informazioni di base che descrivono lo stato di una particella quando attraversa la linea di non ritorno di un buco nero.
Prendiamo un elettrone, per esempio. Ha carica, massa, quantità di moto e un certo numero di caratteristiche che lo rendono un elettrone e non un neutrino o un quark. C’è sempre un margine di manovra nel modo in cui l’elettrone potrebbe cambiare, ma la fisica è un inferno che custodisce le sue registrazioni, quindi le informazioni sui suoi diversi stati sono sempre lì.
Se quell’elettrone, però, entra in un buco nero, si trova in uno spazio incredibilmente piccolo, disconnesso dall’Universo da un imbuto incredibilmente ripido dello spazio-tempo, dove è difficile sapere cosa succede alle informazioni che codificano i suoi stati passati e presenti. Insomma, da una parte l’Universo dovrebbe mantenere la sua precisa contabilità, dall’altra, il nostro ipotetico elettrone è ora confuso con ogni altro quark, muone ed elettrone in modo tale che è difficile dire cosa sia cosa. L‘informazione iniziale è definitivamente persa nel rumore di fondo? O si è semplicemente riorganizzata?
Negli anni ’70, Stephen Hawking suggerì che il rumore quantico sul bordo del buco nero dovrebbe codificare alcune coppie di particelle separate alla nascita, con una di queste che cade nel buco nero e l’altra che sfugge. Nessuno ha ancora verificato che questa cosa, detta radiazione di Hawking sia una cosa reale, almeno non ancora.
Le informazioni codificate nel modo in cui queste particelle si riflettono l’un l’altra – denominate entanglement – potrebbero fornire una scappatoia. Date abbastanza informazioni entangled nella forma della particella che sfugge, l’Universo può mantenere il suo ordine. “Si può recuperare l’informazione lasciata cadere nel buco nero facendo un massiccio calcolo quantistico su questi fotoni uscenti della radiazione di Hawking“, dice Yao. “Questo dovrebbe essere davvero, davvero difficile, ma se si vuole credere alla meccanica quantistica, dovrebbe, in linea di principio, essere possibile.”
Le parole chiave sono “in linea di principio“. Anche per un buco nero delle dimensioni del nostro Sole, l’Universo sarebbe un luogo freddo e vuoto molto prima che vengano rilasciate sufficienti informazioni per descrivere il suo cuore. Questo lasso di tempo potrebbe essere abbreviato in modo significativo se le informazioni che entrano in un buco nero si mescolassero abbastanza rapidamente.
Yoshida e Yao propongono un metodo sperimentale basato su qualcosa chiamata funzione di correlazione fuori dal tempo. Questi “OTOC” mettono a confronto gli stati quantici di una particella sulla base del tempo in cui avvengono certi cambiamenti. Le matematiche coinvolte sono complicate, ma forniscono una visione approfondita dei processi di contabilità sul lavoro, dimostrando un possibile modo per dire se l’identità di una particella è veramente indistinguibile dal caos o semplicemente criptata.
Per testare la loro idea, hanno usato un piccolo circuito quantico per scomporre gli stati quantici. In pratica hanno utilizzato una manciata di particelle aggrovigliate che non erano ancora state misurate in precedenza. Osservando il modo in cui le informazioni sembrano teletrasportarsi tra le particelle una volta misurate, si può capire molto su quanta parte delle loro informazioni è semplicemente caotica e quanta viene completamente persa nel rumore di fondo.
“Con il nostro protocollo, se si misura una fedeltà di teletrasporto sufficientemente elevata, allora si può garantire che lo scrambling sia avvenuto all’interno del circuito quantico“, afferma Yao.
Nel loro caso di test, hanno ottenuto una fedeltà dell’80 percento, il che implica che metà degli stati sono stati mescolati mentre l’altra metà è stata dispersa in modo irrimediabile.
È una solida dimostrazione del concetto che potrebbe portare a nuovi strumenti nell’affrontare la delicata natura dei sistemi quantistici. Per non parlare di un premio ancora più emozionante: trucchi come questo potrebbero un giorno dirci se l’Universo sta tenendo traccia di cosa finisce dentro i buchi neri.
Questa ricerca è stata pubblicata su Physical Review X.