Een afluisteraar die zich verbergt in een zwart gat kan nog steeds informatie verkrijgen over een quantumobject aan de buitenkant.
Als je je in een zwart gat bevindt, kun je informatie verkrijgen over een quantumobject aan de buitenkant. Dat achterhaalde theoretisch natuurkundige Daine Danielson van de Universiteit van Chicago in de VS met zijn collega’s.
De onderzoekers ontwikkelden een gedachte-experiment over twee mensen, Alice en Bob. Alice is in het bezit van een quantumobject. Dat plaatst ze in een zogeheten superpositie: een combinatie van twee toestanden die alleen bij quantumobjecten kan voorkomen. Bob wil stiekem informatie verkrijgen over het object van Alice. ‘Hij wil alleen niet betrapt worden. Daarom verstopt hij zich in een zwart gat’, zegt Danielson.
‘AI is een veredelde rekenmachine’
Met AI spoort Ann Dooms vervalste schilderijen op, maakt ze onleesbare teksten doorzoekbaar en brengt ze de kwaliteit van eicellen in kaart.
Natuurkundigen zijn het erover eens dat uit een zwart gat geen informatie kan ontsnappen. Bob kan dus geen signaal naar het object versturen. Danielson en zijn team wilden weten of hij desondanks vanuit het zwarte gat op een of andere manier informatie over het object kan verkrijgen.
Snode spionnen
Quantumsuperposities zijn kwetsbaar. Invloeden van buitenaf, zoals kleine verstoringen uit de omgeving of metingen door snode spionnen zoals Bob, kunnen ertoe leiden dat zo’n superpositie verandert in een gewone, enkele toestand. Dit proces wordt decoherentie genoemd.
De onderzoekers hebben wiskundig aangetoond dat de informatie die Bob vanuit het zwarte gat kan verkrijgen precies overeenkomt met de mate van decoherentie die Alice bij haar object aan de buitenkant zou waarnemen. Danielson presenteerde het werk op 17 maart op de American Physical Society Global Physics Summit in Californië.
De berekeningen toonden aan dat wanneer Bob de quantumtoestand van het object van Alice verstoort, het er voor Alice altijd op lijkt dat hij er precies evenveel informatie uithaalt als de natuurkunde toestaat. Volgens Danielson vertelt dit ons dat elk zwart gat alle superposities in zijn omgeving moet afbreken, of er nu wel of niet een afluisteraar in zit. Anders zou Alice kunnen afleiden dat de decoherentie die ze waarneemt het gevolg is van het afluisteren van Bob. Dan zou ze iets specifieks leren over het inwendige van het zwarte gat, terwijl zulke informatie volgens onze huidige theorieën altijd verborgen moet blijven.
Quantumzwaartekracht
Natuurkundige Alex Lupsasca van de Vanderbilt Universiteit in de VS zegt dat onderzoekers al wisten dat zwarte gaten kampioenen zijn in extreem kosmisch gedrag. Het nieuwe werk wijst volgens hem op ‘nog maar eens een gebied waarop ze uitblinken: zwarte gaten kunnen met hun sterke zwaartekracht quantumsuperposities vernietigen, en dat doen ze op de snelst mogelijke manier’.
Volgens de onderzoekers heeft dit proces als gevolg dat overal in de ruimte rond zwarte gaten deeltjes rondzweven met extreem weinig energie. Lupsasca zegt dat het bestuderen van deze deeltjes kan helpen bij het formuleren van een theorie van quantumzwaartekracht. Zo’n theorie moet de quantummechanica en Albert Einsteins algemene relativiteitstheorie verenigen tot een theorie van alles – iets wat tot dusver niet gelukt is.
‘Zwarte gaten spelen een enorm belangrijke rol in de grote open vragen over quantumzwaartekracht. Daarom is het van belang om goed te begrijpen hoe hun quantumeffecten verschillen van die van gewone objecten’, zegt natuurkundige Sam Gralla van de Universiteit van Arizona in de VS. Volgens hem kunnen kandidaat-theorieën voor quantumzwaartekracht getoetst worden aan de berekeningen van de onderzoekers.
Voor Danielson is het nieuwe werk een stap in de richting van het verbinden van de structuur van de ruimtetijd met de stroom van quantuminformatie. Als Bob zich bijvoorbeeld niet in een zwart gat zou verstoppen, maar in een bolvormig omhulsel van gewone materie, zou de informatiestroom tussen hem en Alice anders zijn. Dit betekent mogelijk dat de structuur van de ruimtetijd niet fundamenteel is, maar een gevolg van de wetten die bepalen hoe quantuminformatie uitgewisseld kan worden. ‘We hopen dat dit ons enig inzicht geeft in de manier waarop ruimte en tijd zelf zouden kunnen voortkomen uit principes uit de informatietheorie’, zegt Danielson.
