Черные дыры могут быть космическими суперкомпьютерами

_{Компьютерная модель конденсата Бозе — Эйнштейна демонстрирует волнообразную структуру атомов, близких к абсолютному нулю. Фото: NASA/NIST}

Когда вы умрете, атомы вашего тела рассредоточатся и найдут себе новое место пребывания: в океанах, деревьях и других телах. Однако согласно законам квантовой механики, вся информация о функциях вашего тела и его комплекции будет сохранена. Отношения между атомами, неисчислимыми частицами, благодаря которым вы являетесь собой, будут сохранены навсегда, но в неузнаваемо зашифрованной форме — они будут утеряны на деле, но бессмертны по сути.

У этой обнадеживающей концепции есть только одно явное исключение: согласно нашим нынешним представлениям в области физики, информация не может выдержать встречи с черной дырой. Еще 40 лет назад Стивен Хокинг продемонстрировал, что черные дыры навсегда уничтожают информацию. Что бы ни попало в черную дыру, это исчезнет из остальной части Вселенной. Со временем оно появится в потоке частиц, т. н. «излучении Хокинга», которое исходит от горизонта событий — внешней физической границы черной дыры. Таким образом, черные дыры медленно испаряются, но этот процесс стирает всю информацию о том, как черная дыра образовалась. Излучение может передать всего лишь данные об общей массе, электрическом заряде и моменте импульса сколлапсировавшей материи; остальные детали о том, что упало в черную дыру, безнадежно утеряны.

Открытое Хокингом испарение черных дыр поставило физиков-теоретиков перед большим противоречием: общая теория относительности (ОТО) утверждает, что черные дыры уничтожают информацию; квантовая механика же гласит, что так не может происходить, поскольку информация вечна. Как ОТО, так и квантовая механика, это невероятно подробно исследованные теории, и тем не менее, их невозможно объединить. Это противоречие выявляет нечто намного более фундаментальное, чем кажущуюся странность черных дыр: парадокс информации как нельзя лучше проясняет тот факт, что физики до сих пор не понимают фундаментальных законов природы.

Однако Джиа Двали, профессор физики из Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана, уверен, что нашел решение.

«Черные дыры — это квантовые компьютеры. Это подробно разработанная программа для обработки информации», — утверждает он

Если он прав, то парадокса больше нет, а информация действительно бессмертна. А еще более поразительно, пожалуй, то, что у его концепции есть практическая значимость. Вполне возможно, что в будущем мы сможем применить физику черных дыр для создания своих собственных квантовых компьютеров.

Главная причина того, почему восстановление информации из черных дыр представляется невозможным, это то, что они являются сфероидами, не имеющими выраженных особенностей, у которых фактически нет физических признаков на горизонтах; у них «нет волос», как говорил покойный американский физик Джон Уилер. Традиционный аргумент заключается в том, что невозможно хранить информацию в чем-то, у чего нет характеристик, которые могут быть использованы для того, чтобы эту информацию зашифровать. И вот здесь есть ошибка. «Все эти „безволосые“ теоремы не верны», — убежден Двали. Он и его коллеги утверждают, что гравитоны — гипотетические кванты, которые составляют пространственно-временной континуум и являются переносчиками гравитационного взаимодействия — растягиваются по всей черной дыре и дают начало «квантовым волосам», что позволяет, как хранить информацию, так и доставать ее.

Это новое исследование основано на парадоксальной особенности квантовой теории: квантовые эффекты не обязательно микроскопически малы. Действительно, эти эффекты хрупки и быстро разрушаются в теплой и оживленной среде обитания, вроде той, что можно найти на Земле. Вот почему обычно мы их не замечаем. Это также является главной проблемой в создании квантовых компьютеров, которые обрабатывают информацию, используя квантовые состояния частиц вместо принципа «включено-выключено», на котором работают обычные транзисторы. Но в холодном и изолированном пространстве квантовое поведение может сохраняться на протяжении длинных расстояний — достаточно длинных, чтобы покрыть десятки миллиардов километров горизонта черной дыры.

Чтобы наблюдать квантовые эффекты дальних расстояний, даже не нужно выходить в космос. Колоссальные расстояния и массы, необходимые для создания «квантовых волос» черной дыры, может и находятся далеко за пределами наших экспериментальных возможностей, но с помощью охлаждения атомов до менее, чем 10^–4 Кельвина,что составляет 10^–4 градуса выше абсолютного нуля), исследователи сконденсировали до миллиарда атомов, находящихся на нескольких миллиметрах, в одно квантовое состояние. Это очень значимо для коллективного квантового поведения.

Такая группа атомов, известная как конденсат Бозе — Эйнштейна, названный в честь индийского физика Шатьендраната Бозе и Альберта Эйнштейна, на данный момент является одним из самых многообещающих инструментов для создания работоспособного квантового компьютера. Квантовые эффекты у бозе-эйнштейновского конденсата, такие как способность быть в двух местах одновременно, могут растягиваться по всему конденсату, приводя к образованию большого количества соединенных состояний. Огромная мощность для обработки информации могла бы оказаться доступной, если бы у исследователей получилось стабилизировать конденсат и научиться контролировать эти состояния. И это не совпадение, что конденсат Бозе — Эйнштейна может также разрешить проблему потери информации в черной дыре, которую не могли решить десятилетиями.

Двали отмечает, что у хокинговского информационного противоречия нашлось бы естественное решение, если бы черные дыры состояли из гравитонов, подвергнутых бозе-эйнштейновской конденсации, — лужиц конденсированной гравитации, по сути. Эта идея может показаться безумной, но для Двали это вполне разумный вывод, сделанный на основе того, что физикам удалось узнать об информации в черной дыре с тех пор, как Хокинг впервые озадачил нас своей загадкой. Теоретики знают, как подсчитать, сколько информации может хранить черная дыра: это количество измеряется в энтропии черной дыры и пропорционально площади поверхности горизонта событий. Они также обнаружили, что черные дыры могут очень быстро перераспределять или «шифровать» информацию. И наконец, они знают путь, по которому информация должна покинуть черную дыру, чтобы избежать конфликтов с квантовой механикой.

С 2012 года Двали исследовал эти разнообразные характеристики и, к своему удивлению, обнаружил, что определенные виды конденсата Бозе — Эйнштейна имеют одинаковые основополагающие свойства с черными дырами. Чтобы вести себя как черная дыра, конденсат должен задержаться на переходной точке — своей так называемой квантовой критической точке — где продолженные флуктуации протягиваются через текучую среду конденсата прямо перед тем, как квантовое поведение коллапсирует. Как подсчитал Двали, у такого квантово-критического конденсата такая же энтропия, шифрующая пропускную способность и время затухания, как у черной дыры: у него есть необходимые «квантовые волосы».

«Кто-то скажет, что это совпадение, но я считаю это невероятно веским доказательством — а именно, математическим доказательством — того, что на самом деле черные дыры — это конденсаты Бозе — Эйнштейна», — утверждает он.

Установление связи между черными дырами и формой материи, которую можно создать в лаборатории, значит, что некоторые аспекты идеи Двали можно исследовать экспериментально. Иммануил Блох, профессор физики в Институте квантовой оптики общества Макса Планка в Мюнхене, имел дело непосредственно с конденсатами Бозе — Эйнштейна. Он конденсирует атомы в «кристаллах света» — оптических решетках, созданных с помощью множества перекрещивающихся лазерных лучей, — и затем делает моментальные снимки конденсата, используя технику флуоресцентной микроскопии. Получившиеся в результате изображения прекрасно демонстрируют взаимосвязанное квантовое поведение атомов.

Блох считает идею Двали интригующей, хотя она возникла в области, совершенно отличающейся от его собственной. «Мне очень интересно предположение Двали. Я думаю, это нечто действительно новое. Люди видели динамику коллапса с взаимодействующими конденсатами, но пока еще никто не исследовал критическую квантовую точку и то, что там происходит», — рассказывает Блох.

«В КБЭ [конденсате Бозе — Эйнштейна] есть макроскопические квантовые волны, а это значит, что в квантовых числах присутствует большое количество колебаний. Именно поэтому КБЭ обычно выглядит как швейцарский сыр», — продолжает он. Но при приложении магнитного поля Блох может изменить силу, при которой происходит атомное взаимодействие, таким образом собирая их в упорядоченную решетку. «Сейчас вы наблюдаете сильное атомное взаимодействие, после этого они переходят в [сильно упорядоченное] „состояние Мотта“. Это состояние отлично подходит для квантовых вычислений, так как у вас есть периодический массив. И вы можете направлять атомы с помощью лазера, вращать их и изменять спин [для кодирования и обработки информации]».

По словам Двали, физика черных дыр показывает наилучший способ хранения информации в КБЭ, используя различные квантовые состояния. Черные дыры — это простейшие, наиболее компактные и наиболее эффективные устройства для хранения информации, которые известны физикам. Следовательно, использование протокола кодирования черных дыр должно быть наилучшим способом хранения информации в квантовых компьютерах на конденсаторной основе.

Создание конденсата, имитирующего поведение черной дыры, в лабораторных условиях Блоху кажется выполнимым: «[В черной дыре] сила взаимодействия сама по себе подстраивается под условия. Мы можем симулировать нечто подобное путем настройки силы взаимодействия, при которой конденсат вот-вот уничтожится. Флуктуации будут нарастать, становясь все больше, и больше, и больше по мере приближения к квантовой критической точке. И это может симулировать подобную систему. Можно изучить все квантовые колебания и ситуации не-равновесия — все это теперь возможно при наблюдении этих конденсатов в природных условиях с высоким пространственным разрешением».

Возможность понимания идеи Двали не обязательно означает ее практичность. «Она конкурирует с большим количеством других концепций. На данный момент я настроен скорее скептически», — признается Блох. Кроме того, он указывает на то, что эффективное хранение информации это очень хорошо, но для квантового компьютера «информационная вместимость не является проблемой». Самой трудной задачей он считает нахождение способа индивидуально управлять квантовыми состояниями, который идентифицировал Двали — обрабатывать информацию, а не хранить. Помимо этого есть некоторые практические трудности. «Существует столько различных моментов, которые мы не прояснили, как, например, шум: они устойчивы к шуму? Мы не знаем. Как по мне, гораздо более интересным аспектом является привязанность к гравитационной физике», — отмечает Блох. И вот здесь вся суть выходит далеко за рамки проблемы хранения информации.

Исследование Двали — не единственная недавняя работа, указывающая на связь между гравитацией и физикой конденсированных сред: тенденция открыла совершенно новые сферы экспериментального исследования. В традициях Эйнштейна физики в основном представляют себе искривленный пространственно-временной континуум как арену для материи и ее взаимодействий. Но теперь некоторые независимые направления исследований позволяют предполагать, что он может быть не настолько иллюзорным, как мы до этого думали. По-видимому, сила гравитации может выйти за рамки негравитационной физики.

За прошедшие десятилетия многочисленные связи между гравитацией и некоторыми жидкостями показали, что системы коллективного квантового поведения могут имитировать поведение пространственно-временного континуума, приводя к практически тем же уравнениям, которые используются в рамках эйнштейновской общей теории относительности. Пока что не существует такого подхода, при котором общая относительность может быть приведена в полную общность с заявлением о том, что пространственно-временной континуум является конденсатом. Пока что никто даже не знает, возможно это или нет. Тем не менее, найденные отношения позволяют физикам изучать гравитационные системы, которые могут имитировать атомные конденсаты.

Конденсаторная симуляция гравитации позволяет физикам исследовать регионы — такие, как горизонты событий черных дыр, — которые иначе недоступны для экспериментов. И поэтому, хотя излучение Хокинга никогда не наблюдалось в настоящих черных дырах, его аналог был измерен для черных дыр, симулируемых в КБЭ. Конечно же, эти конденсаты не являются настоящими черными дырами — они поглощают звуковые, но не световые волны, — но они подчиняются некоторым математическим законам, которым подчиняются и черные дыры. Конденсаты таким образом в каком-то смысле позволяют выполнять сложные и даже невозможные физические расчеты.

«Мы предпочитаем говорить о „квантовых симуляциях“ и пытаемся использовать эти системы, чтобы найти интересные феномены, которые сложны для подсчетов на обычных компьютерах. Кроме того, мы пытаемся использовать такого рода системы для проверки других систем, например, черные дыры, или же мы ищем [аналог] частицы Хиггса в двух измерениях», — заявил Блох. В 2012 году в газете «Nature» он и его коллеги сообщили о том, что их квантовая симуляция показала, что частицы, подобные бозону Хиггса, также могут в них существовать. Та же самая методика в теории могла бы быть использована для изучения того, как КБЭ ведет себя в роли черной дыры.

Но использование физики черных дыр в разработке новых протоколов для квантовых компьютеров — это одно. Выяснить, действительно ли астрофизические черные дыры являются конденсатом квантов гравитационного поля (гравитонов) — совсем другое. «Мне неинтересна идея, если никто не может ее проверить», — заявляет Cтефан Хофман, космолог-теоретик и коллега Двали из Мюнхена.

По этой причине Хофман посвятил значительную часть времени изучению выводов, опирающихся на идею о том, что черные дыры являются конденсатами гравитонов. «Теорема [лысых] черных дыр, простите, отстой», — соглашается он с Двали. Хофман считает, что квантовые «волосы» неподалеку от горизонта событий черной дыры могли бы незаметно изменить предсказания общей теории относительности (особенно излучение гравитационных волн в процессе формирования или столкновения черных дыр) таким образом, который мог бы быть зафиксирован. «Мечтой будет двоичное слияние [черных дыр]», — сказал Хофман на семинаре в 2015 году. Его мечта не так давно стала реальностью: коллаборация LIGO недавно объявила о первом измерении гравитационных волн, испускаемых при слиянии двух черных дыр.

Хофман с коллегами до сих пор делали количественные предсказания, но из-за макроскопических квантовых эффектов предложенное Двали решение проблемы потерь информации вскоре может стать экспериментально проверяемым. Тем не менее, идея того, что черные дыры — критические квантовые конденсаты гравитонов, действительно эквивалентна КБЭ, что оставляет множество вопросов открытыми. Начнем с того, что расчеты Двали не могут объяснить, что именно случается с материей, когда та попадает в черную дыру. И Хофман признает, что неясно, как объект может быть «черной дырой» в привычном смысле слова, если его больше нельзя описать с точки зрения общей теории относительности.

Карло Ровелли из Марсельского университета считает, что даже в неполной форме идея Двали о черных дырах как о конденсате может быть полезна научному сообществу. «Они используют жесткое приближение, которое может не захватить некоторые аспекты, но в какой-то степени может сработать, особенно в режиме длинной волны», — утверждает Ровелли. Тем не менее, он предупреждает, что модель конденсата «не может быть законченным объяснением того, что происходит в черной дыре».

Ясным, однако, является то, что это исследование показало ранее непризнанные — и весьма полезные — отношения. «У нас есть весьма интересная связь между квантовой информацией и физикой черных дыр, которая раньше не обсуждалась», — утверждает Двали. Если он прав, последствия ошеломляют концептуально. Информация действительно существует вечно. В этом смысле мы все бессмертны. А супермассивная черная дыра в центре Галактики? На самом деле это космический квантовый компьютер.

Автор: Сабина Хоссенфелдер.
Оригинал: Aeon.

Перевели: Екатерина Евдокимова и Денис Пронин.
Редактировали: Роман Вшивцев, Артём Слободчиков и Евгений Урываев.