ブラックホールで失われた情報を取り戻す簡単な方法

ブラックホールには謎がいっぱいです。たとえば、重力井戸の中に本を投げ込んだらどうなるでしょうか。一般相対性理論 (宇宙の非常に大きなものを支配する物理法則) では、本は永久に消えてしまうと予測されています。しかし、量子力学 (非常に小さなものを支配する法則) では、それは不可能だと言われています。つまり、エネルギー、物質、情報は生成も破壊もできないということです。それらは変形できますが、総量は同じままでなければなりません。

このパラドックスを解決するために、物理学者のチームが、理論的にはブラックホールから情報を復元できる方法を考案しました。ただし、問題があります。この実験は、一度に 1 ビットの量子情報 (キュービット) のみを対象としています。これは、それほど多くの情報ではありません。

この研究はまだ査読を受けていないが、研究者らが論文誌に投稿する前に同僚からフィードバックを集められるようにarXivに投稿されている。また、これは科学者が試すような類の実験ではなく、単に楽しい思考実験を目的としている。「本質的に、私たちのプロトコルはテレポーテーション計画に相当する」と研究者らは書いている。

仕組みは以下のとおりです。

「本質的に、私たちのプロトコルはテレポーテーションスキームに相当します。」

アリスがブラックホールの近くで何気なく過ごし、その特性を測定しているとしよう。すると突然、おっと！ブラックホールに電子を落としてしまう。その電子はもともと特定の方向、たとえば上向きか下向きに回転していたが、アリスはどちらの方向に回転しているかを知りたい。その情報、つまりスピン状態は永遠に失われてしまうのだろうか？そうではない、とカリフォルニア工科大学の大学院生、エイダン・チャトウィン＝デイビスは言う。彼のチームの論文によると、アリスは電子のスピン状態を調べるためにホーキング放射をいくらか集める必要がある。

ホーキング放射は、科学者がブラックホールから漏れ出ると考えた熱放射です。ブラックホールから逃げ出すものは何もありませんが、ブラックホールが放射を放出するのを妨げるものではありません。物理学の理論では、ブラックホールへの供給を止めると、このタイプの放射によって質量が失われるため、ブラックホールは最終的に縮小して消滅するとされています。スティーブン・ホーキングは当初、この放射には情報は含まれず、熱だけが含まれると仮定していましたが、ホーキング自身を含む大多数の科学者はもはやそうは考えていません。

「ホーキング放射は完全に熱的なものではないというのが一般的な見解です」とチャトウィン＝デイビス氏は言う。ホーキング放射には何らかの情報が含まれている可能性がある。「ですから、それを調査すれば、ブラックホールに投げ込んだものを何でも再現できるでしょう。」

ブラックホールはホーキング放射を絶えず発生しています。しかし、理論上、ブラックホールから出るホーキング粒子ごとに、その粒子の別のバージョンがブラックホールに落ち込むという点が興味深いところです。2 つの粒子は、ブラックホールの事象の地平線、つまり境界の反対側に存在します。物理的には離れていますが、その特性はリンク、つまりエンタングルメントしています。どれだけ離れていても、その特性は常に反対になります。つまり、たとえば外側のホーキング粒子がスピンアップすると、内側の粒子はスピンダウンし、その逆も同様です。

ブラックホールからは何も逃げることはできませんが、ブラックホールが放射線を放出することを妨げるものではありません。

つまり、アリスがブラックホールの外側にあるホーキング粒子を 1 つ集めると、ブラックホールの内側にあるそのパートナーについて何かがわかるということになります。

そこで彼女はホーキング粒子を 1 つ集め、ブラックホールを再度測定しました。電子とホーキング放射粒子が落ち込んだときにわずかに変化したであろうブラックホールの電荷、質量、スピンを測定することができました。

ブラックホールの元の状態と現在の状態の違いを見つけることで、アリスは 2 つの粒子がブラックホールをどの程度変化させたかを知ることができます。次に、出てきたホーキング粒子のスピン状態を測定できます (これは、ブラックホールに飲み込まれたホーキング粒子にリンクしていることを思い出してください)。ホーキング粒子のスピンを差し引くことで、アリスは自分が投入した電子のスピン状態を正確に知ることができます。直接測定することなくです。

できました! 宇宙の全情報は保存されます。それほど難しくなかったでしょう?

これは、科学者がブラックホールから情報を抽出するために提案した最初の技術ではなく、もちろん最後でもないでしょう。

この特定の方法は、一度に 1 ビットの量子情報にのみ有効です。つまり、たとえば 1 つの粒子のスピンまたは分極にのみ有効です。アリスが 2 つまたは 3 つの粒子を投入したり、複数の特性を同時に測定しようとしたりしても、うまくいきません。ただし、最初に 1 つを測定してから、もう 1 つを測定することはできます。

また、この考え方は、ブラックホールにファイアウォール（ブラックホールに侵入するものすべてを燃やしてしまう理論上の壁）がある場合には機能しない。ファイアウォールが存在すると、ホーキング放射粒子が有用な情報を運ぶことは不可能になる。

自分自身がブラックホールに落ちたらどうなるかを知ることに関して、チャトウィン・デイヴィス氏は、このプロトコルはあまり役に立たないと述べています。幸いなことに、私たちがあなたを助けます。私たちの記事「仕組み：ブラックホールによる死」をご覧ください。