Rudolf Cole
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Os buracos negros são monstros gravitacionais, comprimindo gás e poeira até um ponto microscópico como grandes compactadores de lixo cósmico. A física moderna determina que, depois de consumida, as informações sobre esse assunto devem ser perdidas para sempre para o universo. Mas um novo experimento sugere que pode haver uma maneira de usar a mecânica quântica para obter alguns insights sobre o interior de um buraco negro.
"Na física quântica, a informação não pode ser perdida", disse Kevin Landsman, estudante de graduação em física no Joint Quantum Institute (JQI) da Universidade de Maryland em College Park. "Em vez disso, a informação pode ser escondida ou embaralhada" entre partículas subatômicas inextricavelmente ligadas.
Landsman e seus co-autores mostraram que podiam medir quando e com que rapidez as informações eram embaralhadas dentro de um modelo simplificado de um buraco negro, fornecendo uma visão potencial das entidades, de outra forma impenetráveis. As descobertas, que aparecem hoje (6 de março) na revista Nature, também podem ajudar no desenvolvimento de computadores quânticos. [Ideias mais extravagantes de Stephen Hawking sobre buracos negros]
Os buracos negros são objetos infinitamente densos e pequenos, formados a partir do colapso de uma estrela gigante morta que se transformou em supernova. Por causa de sua enorme atração gravitacional, eles sugam o material circundante, que desaparece atrás do que é conhecido como seu horizonte de eventos - o ponto além do qual nada, incluindo a luz, pode escapar.
Na década de 1970, o famoso físico teórico Stephen Hawking provou que os buracos negros podem encolher ao longo de suas vidas. De acordo com as leis da mecânica quântica - as regras que ditam o comportamento das partículas subatômicas em escalas minúsculas - pares de partículas surgem espontaneamente fora do horizonte de eventos de um buraco negro. Uma dessas partículas então cai no buraco negro enquanto a outra é impulsionada para fora, roubando uma pequena quantidade de energia no processo. Em escalas de tempo extremamente longas, energia suficiente é roubada para que o buraco negro evapore, um processo conhecido como radiação Hawking, conforme relatado anteriormente.
Mas há um enigma escondido no coração infinitamente denso do buraco negro. A mecânica quântica diz que a informação sobre uma partícula - sua massa, momento, temperatura e assim por diante - nunca pode ser destruída. As regras da relatividade afirmam simultaneamente que uma partícula que passou zunindo pelo horizonte de eventos de um buraco negro se juntou ao esmagamento infinitamente denso no centro do buraco negro, o que significa que nenhuma informação sobre ela poderá ser recuperada novamente. As tentativas de resolver esses requisitos físicos incompatíveis não tiveram sucesso até o momento; teóricos que trabalharam no problema chamam o dilema de paradoxo da informação do buraco negro.
Em seu novo experimento, Landsman e seus colegas mostraram como obter algum alívio para esse problema usando a partícula que voa para fora em um par de radiação Hawking. Por estar enredado com seu parceiro de queda, o que significa que seu estado está inextricavelmente ligado ao de seu parceiro, medir as propriedades de um pode fornecer detalhes importantes sobre o outro.
"É possível recuperar a informação lançada no buraco negro fazendo um cálculo quântico massivo nessas [partículas] de saída", disse Norman Yao, físico da Universidade da Califórnia em Berkeley, e membro da equipe, em um comunicado.
As partículas dentro de um buraco negro tiveram todas as suas informações mecanicamente "embaralhadas". Ou seja, suas informações foram caoticamente misturadas de uma maneira que deveria tornar impossível a sua extração. Mas uma partícula emaranhada que fica embaralhada neste sistema poderia potencialmente passar informações para seu parceiro.
Fazer isso para um buraco negro do mundo real é extremamente complicado (e, além disso, buracos negros são difíceis de encontrar em laboratórios de física). Assim, o grupo criou um computador quântico que realizava cálculos usando bits quânticos emaranhados, ou qubits - a unidade básica de informação usada na computação quântica. Eles então criaram um modelo simples usando três núcleos atômicos do elemento Itérbio, que estavam todos emaranhados uns com os outros.
Usando outro qubit externo, os físicos foram capazes de dizer quando as partículas no sistema de três partículas ficaram embaralhadas e puderam medir o quão embaralhadas elas se tornaram. Mais importante, seus cálculos mostraram que as partículas foram especificamente misturadas umas com as outras, em vez de com outras partículas no ambiente, disse Raphael Bousso, um físico teórico da UC Berkeley que não estava envolvido no trabalho .
"É um feito maravilhoso", acrescentou. "Acontece que distinguir quais dessas coisas estão realmente acontecendo com o seu sistema quântico é um problema muito difícil."
Os resultados mostram como os estudos de buracos negros estão levando a experimentos que podem sondar pequenas sutilezas na mecânica quântica, disse Bousso, que podem se tornar úteis no desenvolvimento de futuros mecanismos de computação quântica..
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Originalmente publicado em .