Les physiciens ont utilisé un ordinateur quantique à sept qubits pour simuler le brouillage d'informations à l'intérieur d'un trou noir, annonçant un avenir dans lequel des bits quantiques enchevêtrés pourraient être utilisés pour sonder les intérieurs mystérieux de ces objets bizarres.

Le brouillage est ce qui se produit lorsque la matière disparaît à l'intérieur d'un trou noir. Les informations attachées à cette matière - l'identité de tous ses constituants, jusqu'à l'énergie et la quantité de mouvement de ses particules les plus élémentaires - est mélangé de manière chaotique avec toutes les autres matières et informations à l'intérieur, ce qui rend apparemment impossible la récupération.

Cela conduit à un soi-disant « paradoxe de l'information du trou noir, " puisque la mécanique quantique dit que l'information ne se perd jamais, même lorsque cette information disparaît à l'intérieur d'un trou noir.

Donc, alors que certains physiciens prétendent que les informations tombant à travers l'horizon des événements d'un trou noir sont perdues à jamais, d'autres soutiennent que cette information peut être reconstruite, mais seulement après avoir attendu un temps démesuré, jusqu'à ce que le trou noir ait diminué de près de la moitié de sa taille d'origine. Les trous noirs rétrécissent parce qu'ils émettent un rayonnement de Hawking, qui est causée par des fluctuations de la mécanique quantique au bord du trou noir et porte le nom du regretté physicien Stephen Hawking.

Malheureusement, un trou noir la masse de notre soleil prendrait environ 10 ⁶⁷ des années à s'évaporer - loin, bien plus longtemps que l'âge de l'univers.

Cependant, il y a une faille—ou plutôt, un trou de ver—hors de ce trou noir. Il peut être possible de récupérer ces informations entrantes beaucoup plus rapidement en mesurant les intrications subtiles entre le trou noir et le rayonnement de Hawking qu'il émet.

Deux bits d'information, comme les bits quantiques, ou qubits, dans un ordinateur quantique - sont intriqués lorsqu'ils sont si étroitement liés que l'état quantique de l'un détermine automatiquement l'état de l'autre, peu importe à quelle distance ils sont. Les physiciens appellent parfois cela « action effrayante à distance, " et les mesures de qubits intriqués peuvent conduire à la "téléportation" d'informations quantiques d'un qubit à un autre.

"On peut récupérer les informations lâchées dans le trou noir en faisant un calcul quantique massif sur ces photons de Hawking sortants, " dit Norman Yao, un professeur adjoint de physique à l'UC Berkeley. « Cela devrait être vraiment, vraiment dur, mais si l'on en croit la mécanique quantique, cela devrait, en principe, être possible. C'est exactement ce que nous faisons ici, mais pour un petit "trou noir" de trois qubits à l'intérieur d'un ordinateur quantique de sept qubits."

En laissant tomber un qubit intriqué dans un trou noir et en interrogeant le rayonnement de Hawking émergent, vous pourriez théoriquement déterminer l'état d'un qubit à l'intérieur du trou noir, offrant une fenêtre sur l'abîme.

Yao et ses collègues de l'Université du Maryland et du Perimeter Institute for Theoretical Physics à Waterloo, Ontario, Canada, publieront leurs résultats dans un article paru dans le numéro du 6 mars de la revue La nature .

Téléportation

Yao, qui s'intéresse à la compréhension de la nature du chaos quantique, appris de l'ami et collègue Beni Yoshida, un théoricien à l'Institut Périmètre, que la récupération des informations quantiques tombant dans un trou noir est possible si les informations sont brouillées rapidement à l'intérieur du trou noir. Plus il est mélangé dans tout le trou noir, plus les informations peuvent être récupérées de manière fiable via la téléportation. Sur la base de cette intuition, Yoshida et Yao ont proposé l'année dernière une expérience pour démontrer le brouillage sur un ordinateur quantique.

"Avec notre protocole, si vous mesurez une fidélité de téléportation suffisamment élevée, alors vous pouvez garantir que le brouillage s'est produit dans le circuit quantique, " dit Yao. " Alors, puis on a appelé mon pote, Chris Monroe."

Monroe, un physicien de l'Université du Maryland à College Park qui dirige l'un des principaux groupes mondiaux d'information quantique sur les ions piégés, décidé d'essayer. Son groupe a mis en œuvre le protocole proposé par Yoshida et Yao et a effectivement mesuré une fonction de corrélation hors du temps.

Appelés OTOC, ces fonctions de corrélation particulières sont créées en comparant deux états quantiques qui diffèrent par le moment où certains coups ou perturbations sont appliqués. La clé est de pouvoir faire évoluer un état quantique à la fois vers l'avant et vers l'arrière dans le temps pour comprendre l'effet de ce deuxième coup de pied sur le premier coup de pied.

Le groupe de Monroe a créé un circuit quantique de brouillage sur trois qubits dans un ordinateur quantique à sept qubits à ions piégés et a caractérisé la désintégration résultante de l'OTOC. Alors que la décroissance de l'OTOC est généralement considérée comme une forte indication qu'un brouillage s'est produit, prouver qu'ils devaient montrer que l'OTOC ne s'est pas simplement désintégré à cause de la décohérence, c'est-à-dire qu'il n'était pas seulement mal protégé du bruit du monde extérieur, ce qui provoque également la désintégration des états quantiques.

Yao et Yoshida ont prouvé que plus la précision avec laquelle ils pouvaient récupérer les informations intriquées ou téléportées était grande, plus ils pouvaient imposer une limite inférieure à la quantité de brouillage qui s'était produite dans l'OTOC.

Monroe et ses collègues ont mesuré une fidélité de téléportation d'environ 80 pour cent, ce qui signifie que peut-être la moitié de l'état quantique a été brouillée et l'autre moitié s'est désintégrée par décohérence. Néanmoins, cela suffisait à démontrer qu'un véritable brouillage avait bien eu lieu dans ce circuit quantique à trois qubits.

"Une application possible de notre protocole est liée à l'analyse comparative des ordinateurs quantiques, où l'on pourrait utiliser cette technique pour diagnostiquer des formes plus compliquées de bruit et de décohérence dans les processeurs quantiques, " dit Yao.

Yao travaille également avec un groupe UC Berkeley dirigé par Irfan Siddiqi pour démontrer le brouillage dans un système quantique différent, qutrits supraconducteurs :bits quantiques qui en ont trois, plutôt que deux, États. Siddiqi, un professeur de physique à l'UC Berkeley, dirige également les efforts du Lawrence Berkeley National Laboratory pour construire un banc d'essai avancé en informatique quantique.

"En son coeur, il s'agit d'une expérience qubit ou qutrit, mais le fait que nous puissions le relier à la cosmologie est dû au fait que nous pensons que la dynamique de l'information quantique est la même, ", a-t-il déclaré. "Les États-Unis lancent une initiative quantique d'un milliard de dollars, et comprendre la dynamique de l'information quantique relie de nombreux domaines de recherche au sein de cette initiative :circuits quantiques et informatique, physique des hautes énergies, dynamique des trous noirs, physique de la matière condensée et atomique, physique moléculaire et optique. Le langage de l'information quantique est devenu omniprésent pour notre compréhension de tous ces différents systèmes."

A part Yao, Yoshida et Monroe, les autres co-auteurs sont T. Schuster, étudiant diplômé de l'UC Berkeley et K. A. Landsman, C. Figgatt et N. M. Linke du Joint Quantum Institute du Maryland. Le travail a été soutenu par le ministère de l'Énergie et la National Science Foundation.