概要
2013 年 XNUMX 月、数十人の著名な理論物理学者が危機について話し合うためにカリフォルニア州サンタバーバラに集まりました。 ブラックホールに対する彼らの希薄な理解は崩壊しつつあった。 あたかも望遠鏡を通しているかのように遠くから見ると、ブラック ホールは惑星、星、またはその他の素粒子の集合体のように振る舞うはずです。 しかし、物理学者たちがアルバート・アインシュタインの研究を信じているのであれば、彼らのほとんどがそうであるように、ブラックホールをその境界のすぐ内側にいる人の視点から考察すると、ありえない結果が生じることになる。
前年の思考実験によってこの視点の衝突が先鋭化し、外部の視点が基本的な視点であると信じている人々と内部からの視点に焦点を当てている人々の間のXNUMX年にわたる休戦状態が突如として終結した。 突然、あらゆる種類の神聖な肉体的信念が議論の対象となりました。 この思考実験の背後にある人々は、ブラック ホールの内部は単純に存在しないのかもしれない、つまり時空はブラック ホールの端で終わっているのではないかと必死に示唆しました。 文字通りの火の壁.
その考えの延長として、会議の参加者の一人は、主に冗談で、このパラドックスは既知の物理法則が常にどこでも崩壊する可能性があることを暗示しているようだとさえ示唆し、コメディセラーに値する笑いをもたらした観察でした。 。 参加者の中でもジュニアの一人、 ダニエル・ハーロウ、マイクを手に取り、信じられないような「おい」の一言で反応した後、会話をそれほど異端的ではない根拠に戻しました。
ブレーンストーミングは「てんてこまいだった」と語った。 パトリック・ヘイデン、コンピュータ科学者からスタンフォード大学の物理学者に転身した。 「クレイジーなアイデアに積極的に挑戦しようとする人々の態度は衝撃的でした。」
さらにXNUMX年間の議論と計算を経て、現在マサチューセッツ工科大学の上級物理学者であるハーロウは、彼と新進気鋭の理論家のチームが最終的に外部を二乗する方法、あるいは少なくとも方法を見つけたと信じている。そして室内の様子。 そうすることで、彼らは相対性理論と量子論の対立する世界の間に緊張緩和のようなものを確立しました。 彼らの解決策は、量子情報理論と 2019 年の画期的な計算、外側を持ちながら内側の大部分も維持するという、頭痛を引き起こす、そして苦労して勝ち取った試みです。
「彼らは、少なくとも原理的にはこの緊張を解決できることを示すことに成功した」と述べた。 トム・ハートマンコーネル大学の物理学者であり、重力の別のモデルで理論の主要な特徴を発見しました。
概要
彼らの手順は現在、ブラックホールの最低限の似顔絵でのみ機能しますが、崩壊した星の独特の特徴の多くを捉えています。 もしそれが本物のブラックホールに当てはまれば、宇宙飛行士がブラックホールに落ちたときに経験することから、分子の配置に含まれる情報の最終的な運命に至るまで、古典的なブラックホールの難題に最終的に答えることになる。
「これは革命の始まりではなく、ある程度の終わりを表している」と述べた。 ジェフペニントン、カリフォルニア大学バークレー校の物理学者であり、新しい研究の寄稿者です。
"それは非常にエキサイティングです。 間違っているかもしれないが、これが正しい本質だと思う」と語った。 オリバー・デウルフ、コロラド大学ボルダー校の物理学者であり、昨年ハーロウ氏と会社の提案に基づいて研究を進めた数少ない研究者の一人です。
グループは、肉体に傷を負わせることによって、ブラックホールの内部を完全な犠牲から救おうと努めています。皮肉なひねりで、ハーロウと仲間たちは、よく知られた物理法則がブラックホールの内部で、そしておそらくは常にどこでも崩壊するのではないかと提案します。 しかし、それらはこれまで知られていなかった方法で行われ、あまりにも巧妙すぎて誰も気付かなかった。 根底にあるのは物質や時空のものではない制約です。 むしろ、それは複雑さ、つまり膨大な量の量子情報に含まれる本質的に終わりのない可能性に関する議論から来ています。
ホーキング放射からファイアウォールまで
サンタバーバラのワークショップでのセッションの XNUMX つは、ブラックホール革命の主任設計者によって主導されました。 ケンブリッジのオフィスから、実物よりも大きい広大なプロジェクター スクリーンにスカイプでアクセス スティーヴン·ホーキング ブラックホール内部では空間と時間が存続するという概念を擁護した。 「少し前に、私は今日まで続く論争を引き起こす論文を書きました」と彼は始めた。
その論争は、ブラックホールが宇宙最大の消滅行為の舞台であるように見えることを中心にしている。
1974年、ホーキング博士は 計算された 事象の地平線 (ブラック ホールを取り囲む帰還不能の球体) の周囲では、量子ゆらぎが粒子のペアを作成します。 パートナーのXNUMX人はブラックホールに落ち、もうXNUMX人は脱出します。 時間の経過とともに、パートナーはブラックホールの内側と外側の両方に積み重なり、そこで拡大する「ホーキング放射」の雲に乗って飛び立ちます。
この問題は、量子力学の用語の下では、各デュオがもつれによってリンクされているという事実から始まりました。これは、XNUMX つの粒子が共同して XNUMX つの情報単位を運ぶことを意味します。 各パートナーはコインの表のようなもので、これは「はい」か「いいえ」の質問に答えるために使用される可能性があります。 この単一の「はい」または「いいえ」の容量は、「ビット」、またはオブジェクトが重ね合わせと呼ばれる量子の組み合わせで存在できる場合は「量子ビット」と呼ばれます。 しかし、コインの XNUMX つの面とは異なり、絡み合った粒子は分離する可能性があります。 それでも、ある測定で外部パートナーの読み取りが「表」であることが判明した場合、別の測定では内部パートナーの読み取りが「裏」であることが確実にわかります。
これは、ホーキング博士の計算の XNUMX 番目の結果と矛盾しているように見えます。 ブラックホールが粒子を放射すると、最終的には完全に蒸発してしまいます。 計り知れない長い年月を経て、放射線の雲だけが残ります。 しかし、各外部パートナーはその内部パートナーと XNUMX ビットを共有するため、ホーキング放射だけでは、片面コインでいっぱいの貯金箱と同じくらい意味がありません。 ブラックホールの寿命とその中に落ちたすべてのものを記録する、ブラックホール内の情報の量子ビットは、一見消滅したように見えます。これはばかげた展開です。
概要
「そんなものがどこかに入っていれば大丈夫だよ」 サミール・マトゥール、オハイオ州立大学の物理学者であり、2013 年の会議のコーディネーターの XNUMX 人です。 「しかし、ブラックホールが消滅すると、外にいる人間は明確な状態をまったく持たなくなります。」
古いブラックホールの不可解な終焉により、物理学者は、一般相対性理論として知られるアインシュタインの湾曲時空理論と量子力学のどちらに忠実であるかに応じて、XNUMXつの相反する見解のいずれかを採用することになりました。 ホーキング博士は長年、アインシュタインに賭けていた。 粒子を捕捉してその量子ビットを消去することが、片面コインの量子力学的な禁止に違反するのであれば、量子力学にとってはさらに悪いことになる、とホーキング博士は考えた。
心の目をブラックホールの外側に置いておくことを好む人もいます。 彼らは、情報が実際に失われることは決してないというロマンチックな概念を厳密に保証する量子力学を支持しました。 たとえば、日記を燃やした後、煙、灰、熱の雲を捉え、失われた文章を再構築することを想像できます。 ブラックホールは、たき火よりも日記の粒子を激しくかき混ぜる可能性がありますが、同じ論理が当てはまります。 残っているのがホーキング放射だけなら、テキストの情報が何らかの形でその中に漏れ出たに違いない。アインシュタインの時空理論では、ホーキング放射が内部に閉じ込められることを要求していることは気にしないでください。
逆説の最後の部分は、ホーキング博士の分析により、放射線が完全にランダムであることが判明し、解読すべき情報がまったくないということでした。 彼の研究は、XNUMX つの相反する結論を示唆しました。XNUMX つは、ブラック ホールが蒸発するということ (放射線が最終的には情報を持ち去ってしまうことを意味します)、もう XNUMX つは放射線は情報を運ばないということです。 どちらも正しいはずがないので、ほとんどの物理学者はホーキング博士が何らかの間違いを犯したのではないかと考えていました。
しかし、彼の間違いは明らかなものではありませんでした。 ホーキング博士は、緩やかに湾曲する時空の中で量子場がどのように作用するかを分析することによって、放射線とそのランダム性の両方を発見しました。これは、半古典物理学として知られる厳密にテストされた枠組みです。 ホーキング博士の半古典的アプローチは、非難の余地がないと思われる量子力学と一般相対性理論の側面のみに依存していました。 同様の扱いが、素粒子物理学の有名な標準モデルを含む、ほとんどの現代理論の基礎を形成しています。
物理学者らは、事象の地平線をはるかに超えた、まだ不可解なブラックホールの中心で重力が強くなる場合のように、半古典物理学が弱まると予想している。 しかし、大きなブラックホールの場合、事象の地平線自体はほとんど無害であるはずです。 好奇心旺盛で十分な栄養を補給した宇宙飛行士は、この中に落ちて、中心付近で避けられない死を迎えるまで、長い間生き延びる可能性がある。 実際、銀河 M87 の中心にある巨大なブラックホールの地平線では、 最初のブラックホール 直接イメージしてみると、重力は地球上よりもそれほど強く引っ張られていません。 ホーキング博士が誤った半古典的仮定を立てていたとしたら、地球上の他の誰もが同じことをしていることになります。 「もし[半古典物理学]が説明する物理法則がここ地球上で機能するなら」と彼は言った。 アレックスマロニーマギル大学の物理学者、「なぜ事象の地平線で研究すべきではないのか?」
ホーキング博士の推定誤りをめぐる数十年の議論の後、数人の物理学者が両者の間の停戦仲介を試みた。 1993年に、 レナード・サスキンド スタンフォード大学の教授らは、間違いはなかったという見解を擁護し始めた。 大まかに言えば、この対立は、ブラックホールの内側と外側の両方を同時に心の中に留めておきたいという非現実的な願望から生じました。
むしろ、サスキンド氏と共同研究者らは、外にいる宇宙飛行士が語る内容は、落下してくる宇宙飛行士が報告する内容とは単純に異なると主張した。 遠く離れた宇宙飛行士は、同行者がブラックホールの表面に突き当たり、侵入者を吸収するときに波打つのを目撃するだろう。 彼らは、情報がブラックホールの表面全体に広がり、最終的には内部で消えることなく放射線として焼けるように消えていくのを観察しました。 しかし、仲間の視点から見ると、彼女は安全にブラックホールに入り、そこで彼女と彼女の情報の両方が閉じ込められます。 彼女の説明は友人の説明とは異なっていますが、友人の報告に反論する言葉を送ることができないことを考えると、本当に問題があるのでしょうか? XNUMX つの物語は、ある意味では補完的である可能性があります。
「いつも混乱を招くと思っていました」と彼は言いました スコットAaronsonはテキサス大学オースティン校の理論コンピューター科学者ですが、「人々は XNUMX 年か XNUMX 年かけてそのことに落ち着きました。」
2012 年に XNUMX 人の物理学者がやって来て、相補性の議論を徹底的に焼き尽くしました。 アーメド・アルムヘイリ、ドナルド・マロルフ、ジョセフ・ポルチンスキー、ジェームス・サリー(通常、彼らの頭文字をとって「AMPS」と呼ばれるチーム)は、XNUMXつのステップについて詳しく説明した 思考実験 そうすれば、XNUMX人の観察者がブラックホールが情報をXNUMXか所に隠しているのを同時に目撃できることになる。
まず、外にいる宇宙飛行士が、ブラックホールがその 10 個のホールのほとんどを通して放出するすべての粒子をすくい上げます。67-年の寿命。 情報が放射線に入ると仮定すると、いくつかの外部パートナーが互いに絡み合い、明確な状態を与えたに違いありません。 宇宙飛行士はこれらの粒子を分析し、それらが絡み合っていることを確認しました。 「非常に長い(研究)助成金があると仮定してください」とアーロンソン氏は言う。
その後、彼女はブラックホールに飛び込み、外で研究したパートナーの一部が内部のパートナーとも絡み合っていることを確認します。 ホーキング博士の半古典的な計算は、彼女がこれを見つけることを示しており、ブラックホールの外側にあるきれいな両面コインのように見えたものが、内側に違法な第XNUMXの面を隠していることを暗示しています。
AMPS は、ホーキング博士のパラドックスから隠れる余地がないことを証明しました。 彼らはしぶしぶブラックホールの外側で量子力学を支持し、その結果、内側の空間を犠牲にしたのでしょう。おそらくブラックホールは、地平線上に「ファイアウォール」があり、降り注ぐ物質を蒸発させ、おせっかいな宇宙飛行士が実験を終えるのを防いだのでしょう。 「ブラックホールには内部がまったくないのです」とアーロンソン氏は結論を述べて述べた。 「飛び込もうとすると時空の果てに遭遇する。」
半古典物理学では、地平線を越える感覚はイリノイ州からアイオワ州への国境を越えるのと何ら異なるものではないという兆候がなかったため、この考えを良いと思う人は誰もいなかった。 コミュニティは混乱から抜け出す方法をブレインストーミングするために一連のワークショップを組織し、最終的には サンタバーバラ会議.
「誰もがその議論を打ち砕こうとしたが、成功しなかった数か月間、楽しかった」とハーロウ氏は語った。
混乱のさなか、ハーロウは、宇宙飛行士が実際に AMPS 実験を行うには何が必要かを研究するために、当時コンピューター科学者だったヘイデンと共同研究を行いました。 彼らはブラックホールを量子暗号装置、つまり判読可能な情報(通常の物質)を取り込み、スクランブルされた情報(放射線)のように見えるものを吐き出す装置として扱いました。 この文脈では、情報のスクランブルを解くマシン、つまり量子コンピューターのようなマシンを使用して AMPS 実験を実行することを想像できます。 そして、量子計算の限界に関するアーロンソンの博士論文からの重要な結果により、彼らは興味深いものを発見しました。
ブラックホールは降り注ぐ物質を徹底的に粉砕するため、宇宙飛行士が実際に量子コンピューターに放射線のスクランブルを解除する任務を課した場合、その任務には長い時間がかかるだろう。 時間がかかりすぎて、進行状況バーが 1% の何分の XNUMX に達する前に、ブラック ホールはとうの昔に消滅してしまうでしょう。 そしてその頃には、内部は存在しないため、宇宙飛行士は内部に月明かりに照らされて外部の情報をキャッチするために飛び込むことはできません。
「それは私たちもどう対処すればよいのか本当に分からなかった観察結果でした」とハーロウ氏は語った。 「10年経って、ようやく、それをどう扱うべきかが分かりました。」
量子コンピューターで時空を作る方法
2013 年の研究の後、ハーロウはブラック ホールを脇に置き、より単純な問題、つまり空の空間自体に焦点を当てました。 彼は、反ド・ジッター空間として知られる非現実的なタイプの反転空間の研究を開始しました。この空間は、ブラック ホールのように XNUMX つの非常に異なる記述も認めます。
「反デ・シッター空間を十分に理解できれば、ブラックホールに戻って前進する方法が示唆されるだろう」とハーロウ氏は考えたことを思い出した。 「そしてそれは実際にうまくいきました。」
概要
物理学者が反ド・ジッター空間に魅了されるのは、反ド・ジッター空間がエキゾチックな方法で湾曲し、有限の境界内に無限の空間を収めることができるからです。 さらに驚くべきことに、反ド・ジッター空間で起こっているあらゆる出来事を、完全に異なる物理法則に従って機能する境界上に存在する粒子の観点から再キャストする方法があるようです。 たとえば、中央の反ド・ジッター領域にある太陽系は、量子論のみに従い、重力や時空の感覚をまったく持たない、境界の周囲に散在する粒子の集合として説明できます。
ハーロウにとっての主な疑問は、時空の概念を持たない境界上の粒子が、時空が間違いなく重要である中央領域の惑星の住民の経験をどのようにして捉えることができるのかということであった。 素朴に、境界イベントが中央全体に瞬時に反響する可能性がある問題、つまり効果が伝播するまでに時間がかかる場所に遭遇することが予想されるかもしれません。 この問題のため、境界粒子と中心時空の関係は緩やかである必要があり、境界の変化がすぐに中央に影響を与えないようにする必要がありますが、境界が中心で何が起こっているのかを完全に見失うほど緩すぎてはなりません。 。
「システムのすべての部分から独立している必要がありますが、システムから独立しているわけではありません。それは、ああ、そうです」とハーロウ氏はイライラして手を上げながら言いました。
最終的に、ハーロウは研究者の幹部がすでに問題を解決していることに気づきました。 彼らは時空の構造についてまったく考えていませんでした。 彼らは量子コンピューターがエラーを修正する方法を発明していました。
ハーロウが求めたゴルディロックス関係を誤り訂正がどのように具体化するかを理解するために、古典的な 1 ビット メッセージを 111 ビット送信にエンコードする簡単なスキームを考えてみましょう。 0を示す場合は000を送信します。001を示す場合は0を送信します。エラーが発生しても受信側は多数決を取るだけで済みます。 011 は 1 を意味し、XNUMX は XNUMX を意味すると解釈します。情報はすべての桁に存在するため、XNUMX つのエラーによってメッセージが台無しになることはありません。 メッセージは個々の作品から独立していますが、送信全体から独立しているわけではなく、まさにハーロウが必要としていたものです。 量子エラーの修正 (古典的なビットとは対照的に) 量子ビットでは、より複雑なスキームが必要ですが、XNUMX つの問題は、複数の部分間で情報を不鮮明にするというこの特徴を共有しています。 1948年にAchille Gaggiaがレバー式のエスプレッソマシンを発明したことにより、現在のエスプレッソが誕生しました。 Gaggiaの発明したエスプレッソマシンは、それ以前に作られてきたマシンより数倍の圧力が出せるため、濃度が何倍も濃いエスプレッソを淹れられました。また圧力が増したことで、エスプレッソに初めてクレマが現れました。このクレマはお客様にたいへん喜ばれ、今ではエスプレッソにクレマは欠かせません。, ハーロウ氏はAMPSのアルムヘイリ氏とカリフォルニア大学サンタバーバラ校のシー・ドン氏と協力して説明した。 量子誤り訂正符号の仕組み 境界量子ビット間に反ド・シッター時空情報を分散させる可能性があります。
アイデアの要点は次のとおりでした。 反ド・ジッター空間の中心点を XNUMX ビットのメッセージとして想像してください。 境界粒子は透過の数値です。 境界を XNUMX つの円弧に分割します。 任意の XNUMX つのアークの粒子は、隣接する領域内のアンチ デ シッター ポイントについて知っています。 しかし、彼らはその地域外の地点については知りません。 単一のアークは中心点について知りません。この状況は、メッセージを再構築するのに単一の送信桁が十分ではないことを思い出させます。
概要
しかし、中心点は、任意の XNUMX つの円弧に属する結合領域内にあります。これは、メッセージを解読するには XNUMX つの送信桁があれば十分であることを反映しています。 このように、誤り訂正は、空の反ド・ジッター空間を、バニラの時空として、または興味深いことに、空間のない量子量子ビットの集合として、という XNUMX つの観点から理解するのに適した言語であると思われます。
概要
「これはある意味驚くべきことだ」とデウルフ氏は語った。 量子情報は量子コンピューターを構築するためだけのものではありません。 「これらは量子重力が使用するほど重要なアイデアであることが判明しました。」
ハーロウは時空の XNUMX つの見方を結び付けることに成功しました。 唯一の問題は、このフレームワークが本来の目的を達成していないことでした。 時空にブラックホールが含まれている場合、量子エラーの修正は失敗しました。
早くも2012, 物理学者たちは、誤り訂正符号を使ってブラックホールの内部に取り組むという概念を浮上させていました。 しかし、ホーキング博士の計算における相反する視点が彼らを再び困惑させました。 事象の地平面内の宇宙飛行士は、降り注ぐ放射線パートナーが際限なく降り注ぐのを見ることになるでしょう。 ブラックホールの情報容量は、宇宙のハードドライブに例えると、その生涯を通じてどんどん増えていきます。
一方、黄金時代にブラックホールの外に出た宇宙飛行士は、蒸発するにつれて文字通りサイズが縮小していくのを目の当たりにすることになる。 エラー修正によって XNUMX つの視点を二乗するという目標を達成するには、ハーロウは拡大する内部を縮小する境界にエンコードする方法が必要であるように見えました。これは、船員に「SOS」というメッセージを XNUMX 文字の送信に収めるように依頼するような作業です。
「この話にはブラックホールの内部は含まれていませんでした」と述べた。 クリストファー・エイカーズMIT の研究者で、2016 年に大学院 XNUMX 年生だった彼は、ハーロウズの影響力のある誤り訂正論文に触発されました。 「それが私にとって奇妙に気になったので、どのようにすればより良い方法でブラック ホールを含めることができるかを考えるのに多くの時間を費やしました。」
それを見つけるのにXNUMX年かかり、それが意味があることをハーロウに納得させるのにさらにXNUMX年かかりました。
情報逃避のレシピ
ハーローとエイカーズが別々にブラック ホールの内部について困惑している間、研究者の一群が外部を解明しようとしていた。 英国の新進物理学者ペニントン氏は、主要人物の一人だった。 2013 年当時、彼は 21 歳でケンブリッジ大学の学部生の真っ最中だったため、サンタバーバラ会議でのファイアウォールのドラマを見逃していました。
ペニントン氏が大学院生候補として2015年にスタンフォードを訪れたとき、博士号取得のために量子重力と量子情報のどちらを研究するかで迷っていた。 それから彼はヘイデンに会いました。 ペニントンは、母親――オックスフォード大学の数学者フランシス・カーワン――がヘイデンの大学院指導教官の一人であったこと、そしてカナダ人であるヘイデンが、母親が当時行ったオンタリオ州の田舎へのカヌー旅行の計画を手伝っていたことを知って驚いた。彼は8歳だった。ヘイデンが量子ビットでブラックホールを説明する取り組みの中心人物であり、ペニントンのXNUMXつの関心を融合させていることを知ってさらに驚いた。 二人は一緒に仕事をすることにした。
ヘイデンとペニントンは、不完全な誤り訂正コードに関する抽象的な問題だと考えたことから始め、 派手な量子情報論文 その作品ではブラックホールや時空については言及されていませんでしたが、 来年 彼らは自分たちのコードを反ド・シッター領域に持ち込みました。 最終的には、2014 年に開発された公式に従って、 ネッタエンゲルハルトミレニアル世代の物理学者であるペニントンは、反ド・シッター空間の特定の領域がエントロピーを追跡しているのではないかと疑うようになった。エントロピーは、ブラックホールから湧き出る絡み合ったホーキング放射の雲の情報容量に関連する量である。 彼は 2018 年から 2019 年の冬にかけて、自分の予感を確かめるために独力で詳細を練り上げました。
「これは、これまでの人生で継続的に物理学に取り組んできた中で最も難しいことです」とペニントン氏は語った。 「私はクリスマスの間メキシコで休暇を取っていたのですが、ずっと密かにクリスマスのことを考えていました。 友達は『なぜそんなに静かなの?』と尋ね続けました。」
同じ頃、エンゲルハルトは本質的に同じ計算を頑張っていました。 2019年初め、彼女はAMPSのアルムヘイリ氏とマロルフ氏、スタンフォード大学のヘンリー・マックスフィールド氏と協力して、重力が関与する状況でエントロピーを与える2014年の公式を使用して、ブラックホールの外側のもつれた放射線の情報を研究した。
XNUMX つのチームは同じ答えを得ました。 コーディネート 論文 この計算は、外部放射線の「頭」を数えることに相当し、ブラック ホール内にどれだけの絡み合った「尾」が隠されているかがわかります。 若い空のブラックホールの場合、ホーキング博士の予想通り、事象の地平線がホーキングペアを分割するにつれて、分離されたコイン面の数が増加します。 しかし、年齢とともに、分離された面の数は減少し始めます。これは、量子力学が要求するとおり、ブラックホールが満たされ、何らかの形で外部放射に情報を排出していることを意味します。
概要
「XNUMX月の論文は本当に素晴らしかったです」とハーロウ氏は語った。 彼は彼らが「計算する勇気がある」と感心した。 難しすぎると思っただろう。」
ついに、ペニントン、エンゲルハルト、そして彼らの共同研究者らは、ブラックホールの外側で何が起こっているのかを理解したと思った。 多くの物理学者が想定していたように、確かに情報は放射線に漏れ出ていた。 この事実は XNUMX つの重大な結果をもたらしました。
まず、ホーキング博士の間違いの可能性が狭まった。 放射線が本当にランダムであるはずがないのに、そうでなければ信頼できる半古典物理学がランダムであると示唆したのはなぜでしょうか?
第二に、それは彼らの理解のフロンティアをブラックホールの外側から内側に移動させました。 古いブラックホールの事象の地平線のすぐ内側にいる宇宙飛行士はどのように蒸発を経験するでしょうか?
最後に、ホーキング博士の半古典的枠組みはほぼ正しく、内部への最初の一歩を踏み出すのに本格的な量子重力理論は必要ないはずであると示唆した。 彼らは身近な時空成分を用いて外観を解析することに成功した。 しかし、わずかに調整されたレシピ (2014 年のエントロピー公式) だけで、情報が内部から漏れることが判明しました。 この計算により、彼らはブラックホール内部の半古典的な見方を放棄する必要はないと確信するようになった。 ファイアウォールはますます行き過ぎているように見えてきました。
「もし室内の描写を捨ててしまったら、赤ちゃんをお風呂のお湯と一緒に捨てるようなものです」とエンゲルハルト氏は語った。 「半古典的な重力を利用して正しい計算を行う方法があります。」
重力エントロピーの専門家であるエンゲルハルトはその一部を所有しており、ハーロウはさらにいくつかを所有していたようです。 MIT のエンゲルハルトのオフィスはハーロウのオフィスと壁を共有しているため、両社が協力するのは当然のことでした。 同じ頃、エイカーズはポスドクになるために MIT に移り、XNUMX 人は 問題を取り上げる.
量子コンピューターで時空を突破する方法
2020 年初頭、パンデミックにより世界が屋内に追い込まれたとき、学者の XNUMX 人はブラックホールの思考実験を MIT の黒板から Zoom のデジタル環境に移しました。
彼らの目標は、すべてのスレッドを集めて、半古典的な内部の視点を量子力学的外部の視点に変えるための変換プロセスのようなものを開発することでした。 このような理論は、ブラックホールのすぐ内側にいる宇宙飛行士に役立つでしょう。 彼女は周囲のスナップショットを撮り、それを手順に沿って実行し、外にいる同僚が何を見ていたかを示す写真を取り戻すことができました。 XNUMX 枚の写真は異なる出来事を捉えているように見えますが、 羅生門 スタイルでは、変換により密かに互換性のあるシーンが明らかになります。 それは、サスキンドの相補性のビジョンのより洗練された復活となるだろう。
概要
ハーロウが空の空間をすでに考えていたように、エイカーズはすでに、変換プログラムは量子誤り訂正の言語で書かれるべきであると確信していた。 半古典的な内部はメッセージであり、量子の外部は送信です。 そして、内部が縮小する地平線の中で成長しているように見えることを考えると、彼らは SOS を XNUMX つの S に詰め込むことができるエラー修正コードを発明する必要があるだけでした。
エイカーズ氏は同僚からの懐疑的な見方に直面した。 エンコーディングでブラック ホール内の情報を削除する必要がある方法は、情報損失に対する量子力学的禁止事項に違反していました。 もし内部宇宙飛行士がミッションログを燃やしてしまったら、その灰からレプリカを復元することはできないかもしれない。
「量子力学を改変していると、人々はあなたが気の狂った人だと思うでしょうが、たいていは彼らが正しいのです」とハーロウ氏は言う。 「躊躇していたんです。」
その年の後半、Shreya Vardhan という名前の MIT 大学院生 (現在はスタンフォード大学) がチームに加わりました。 彼女はいくつかの具体的なエントロピー計算を行い、内部の量子力学を軽く破壊することが外部を完全に保存する唯一の方法であることを最終的に全員に納得させました。
「特にシュレヤとクリスは、さまざまな方法でそれを推進していました」とハーロウ氏は語った。 「シュレヤは私にとって最後の障壁を打ち破ってくれました。そして、これは本当に理にかなっていることに気づきました。」
エイカーズはペニントンと協力していたので、彼も参加した。 この取り組みには数年間の断続的な作業が必要でした。 そして、彼らが結果を書き上げるために座ったちょうどそのとき、チームの 19 分の XNUMX が同時に Covid-XNUMX に感染しました。 しかし昨年XNUMX月、ついに彼らは プレプリントを投稿しました 世界で最も奇妙な誤り訂正コードを使用して、ブラック ホールの内部をその外部でどのようにエンコードできるかについての理論を詳細に説明しています。
仕組みは次のとおりです。 ブラックホール内の自己犠牲的な宇宙飛行士は、彼女とブラックホールを取り囲むすべての光子、電子、その他の粒子の構成を記録します。これは、彼女の半古典的な経験を記録した量子ビットの束で構成される量子データのファイルです。 彼女の目標は、その瞬間に外にいるパートナーの量子の視点を理解することです。 同グループは、内部スナップショットを変換するために量子コンピューター上で実行することを想像できる XNUMX 段階のアルゴリズムを開発しました。
まず、プログラムは数学で最もランダムな変換の XNUMX つを使用して、認識をほとんど超えて半古典量子ビットをスクランブルします。
続いて秘伝のソースが登場。 10 番目のステップには事後選択が含まれます。これは、物理学者よりも情報理論家によってよく使用される奇妙な操作です。 事後選択により、実験者はランダムなプロセスを操作して、望ましい結果を得ることができます。 コインを投げて 1 回連続で表を出したいとします。 裏が出るたびに最初からやり直す忍耐力があれば、それは可能です。 同様に、エンコード プログラムは半古典量子ビットの測定を開始しますが、XNUMX を取得するたびに再起動します。最終的に、ほとんどのスクランブル量子ビットを測定し、ゼロの文字列を正常に取得すると、それらの量子ビットを破棄します。 わずかに残っている未測定の量子ビットは、外部から見たブラック ホールの量子画像のピクセルを表します。 したがって、このコードは、大きな半古典的な RAW ファイルをコンパクトな量子 JPEG に圧縮します。
コーネル大学のハートマン氏は、これは「多くの半古典的情報を有限の量子空間に圧縮する損失の多い方法」だと述べた。
しかし、大きな落とし穴があります。 このようなプログラムは、どのようにして重要な詳細を一切消去せずに、これほど多くの準古典的な情報を削除できるのでしょうか? この手順は、半古典物理学が綿毛、つまり内部の宇宙飛行士が観察するかもしれない実際には存在しない粒子の構成に満ちていることを暗示しています。 しかし、半古典物理学は地球上の粒子衝突器で厳密にテストされており、実験者はそのような蜃気楼の兆候を確認していません。
「信頼性の高いエンコードが行われている状態はいくつありますか? そして、半古典理論はどの程度うまくいくのでしょうか?」 ハートマン氏は語った。 「損失を伴う必要があることを考えると、何かができるかどうかは明らかではありません。」
欠陥のある理論がなぜこれほどうまく機能するのかを説明するために、チームはヘイデンとハーロウが2013年に行った奇妙な観察に目を向けた。それは、AMPS実験のための放射線の解読には非常に多くの手順が必要で事実上不可能であるというものだった。 おそらく、複雑さが半古典物理学の亀裂を覆い隠している可能性があります。 エンコードによって設定が勝手に削除されるわけではありません。 それは、内部の宇宙飛行士がそれらを目撃することを期待できないほど、生成に時間がかかるという意味で複雑な粒子の特定の配置のみを消去しました。
コードが単純な状態を本質的に手付かずのままにしていることを主張することが、作業の大部分を占めました。 同グループは、10,000段階プロセスのどのバージョンであっても、外部の観点から対応するものが存在しない複雑な半古典的構成を作成するには本質的に永遠の時間がかかると主張した。これは、50量子ビットの素粒子だけでも現在の宇宙年齢の87万倍に相当する。ブラックホールの斑点。 そして、実際のブラックホールの場合は、10 個の MXNUMX などです。70-奇数量子ビット、半古典物理学を破る実験には、それよりも指数関数的に長い時間がかかるでしょう。
研究チームは、ブラックホールは確立された物理学の枠組みの新たな破綻を浮き彫りにしていると提案している。 かつてアインシュタインが、ニュートンの剛体距離の概念は十分な高速度では機能しないと予測したのと同じように、半古典物理学は、考えられないほどのステップ数と理解できない長さを伴う極めて複雑な実験では機能しないと予測しています。
同グループは、ファイアウォールはそのような考えられないほどの複雑性の現れであると考えている。 M87 のような本物のブラック ホールは、数十億年しか存在しません。半古典的な内部がファイアウォールで破壊されるほど長くはありません。 しかし、ありえないほど複雑な実験ができたり、ブラックホールが非常に長く生存できたりした場合、半古典的な賭けはすべて外れることになります。
「複雑さのフロンティアは存在します」とハーロウ氏は言う。 「指数関数的なことをやり始めると、物理学が本当に変わり始めます。」
保存したユーザー: Curse of Complexity
コードの非可逆性がブラック ホール内部の半古典物理学に目立った亀裂を引き起こすことはないと物理学者が確信した後、チームはその結果を調査しました。 彼らは、一見したバグが最終的な機能であることが判明したことを発見しました。
「ダメみたいですね。 多くの州を削除するので、情報が失われるようです」とエイカーズ氏は言う。 しかし、「それはあなたが望んでいたすべてであることが判明しました。」
特に、情報がブラックホールからどのように取り出されるのかについては、2019 年の研究を超えています。 むしろ、量子ビットが最初から正確には内部に存在していないことを示唆しています。
その秘密は、変換のファンキーな XNUMX 番目のステップである選択後のステップにあります。 事後選択には、ある場所から別の場所に情報をテレポートする教科書的な量子プロセスと同じ数学的要素、つまりもつれたパートナーの測定が含まれます。 したがって、変換プロセスは時間の経過とともに起こる物理的なイベントではありませんが、情報が内部から外部にどのように切り替わって見えるかを説明します。
基本的に、内部の宇宙飛行士がブラックホールの生涯の後半に撮影されたスナップショットを変換すると、彼女の周囲の粒子、さらには彼女自身の体内に存在しているように見える情報が、外部の視点から見たものであり、実際にはホーキング星の中に浮かんでいることを知ることになります。外では放射線。 時間が経つにつれて、変換プロセスにより、彼女の世界が非現実であることがますます明らかになります。 ブラックホールが消滅する直前の瞬間、宇宙飛行士は反対の印象を抱いていたにもかかわらず、彼女の情報はほぼ完全に外部に存在し、放射線の中にスクランブルアップされます。 このプロセスをスナップショットごとに追跡することで、グループは、2019 年に放射線から情報を発見したエンゲルハルトのエントロピー式を導き出すことができました。これも変換の損失性の副産物です。
要するに、この変換は、宇宙飛行士が、成熟するにつれて外部の現実からますます乖離していく内部を、知らず知らずのうちにどのように体験するのかを説明しているのです。 彼らは、ホーキング博士の間違いは、内部宇宙飛行士の立場になって、半古典物理学がブラックホールの内側と外側の両方で完全にうまく機能すると仮定したことだったと主張している。
ハーロウたちが今信じているように、彼は半古典物理学では指数関数的な複雑さを必要とする現象や実験を正確に捉えることができないということを認識していなかった。 たとえば、放射線に含まれるスクランブル情報の解読には指数関数的に長い時間がかかるため、彼の半古典的分析では放射線には特徴がないという誤った予測がなされました。 特徴はあります。 それらを明らかにするには、宇宙の何倍もかかるでしょう。
さらに、ブラック ホールの表面のサイズが縮小する一方で、内部の情報容量が増大しているように見えるのには理由があります。半古典的な計算には、外部に量子対応物を持たない膨大な数の複雑な状態が誤って含まれているためです。 物理学者が、複雑さが半古典物理学を混乱させる可能性があることを考慮に入れると、内部の時空像と外部の量子像の間の衝突は消滅します。
「私たちは今、矛盾を乗り越える一貫した方法を見つけました」とハーロウ氏は語った。
ブラックホールの混乱
しかし、ハーロウ氏は自信を持っていますが、ブラック ホール コミュニティの他の人々は多くの疑問を抱いています。
主な制限は、コードが結び付ける理論が非常に単純であることです。 量子力学的記述には、情報を放射する量子ビットの集合があります。 半古典的記述には、事象の地平線によって外部から切り離された内部があります。 以上です。 重力もなければ、時空の感覚もありません。 このコードにはパラドックスの中核となる機能が含まれていますが、実際のブラック ホールがこのように動作することを主張するために必要な多くの詳細が欠けています。
「いつものように、重要な物理学をすべて抽出し、重要でない物理学をすべて破棄したおもちゃのモデルが得られることを望みます」とマロニー氏は言いました。 「これが真実であると考える十分な理由がありますが、それでも注意することが重要です。」
代替の解決策はたくさんあり、実際の重力はそれらの方法の XNUMX つでパラドックスを解決できる可能性があります。 たとえば、オハイオ州のマーサー氏は、そのような選択肢の XNUMX つを研究する研究プログラムを主導しています。 彼と彼の共同研究者たちは、ひも理論で崩壊する星に何が起こるかを分析しているときに、ひもが崩壊を止める可能性があることを発見しました。 それらは蠢く塊を形成し、ファズボールその複雑な蠢きが事象の地平線とパラドックスの形成を阻止するだろう。 Mathur 氏は、新しいソリューションに対してさまざまな反対意見を提起しており、一般に不可逆コードは過度に複雑な提案であると考えています。 「情報のパラドックスはとっくの昔に解決されています」と彼は言う。 (毛玉による)
一方、2019年にエンゲルハルト氏と協力して放射線の中の情報を発見したマロルフ氏は、彼らの解決策が保守的すぎるのではないかと疑っている。 「私が懸念しているのは、それがあまりにも簡単すぎるということです」と彼は言う。
彼は可逆性について窒息しました。これは、現在の形式のコードが内部の宇宙飛行士にのみ固有の答えを与えることを意味します。 外部の宇宙飛行士が写真を撮り、内部について何が書かれているかを知りたい場合、コードが消去する半古典的なピクセルを推測する必要があります。 それらの状態はある意味幻想的ではありますが、人間の内面の経験を理解するためには不可欠です。 推測するに、彼は落ち着いたインテリアを見つけるかもしれません。 あるいは、猛威を振るうファイアウォール。 外で量子論がどれほど洗練されていたとしても、そこに飛び込んでみたら何が見つかるかは決して分からない。
「ちょっと気になるんです」とマロルフさんは言う。 「基本的な理論は、私たちが現実として経験することも含めて、すべてを予測できるはずだと私は思っていたでしょう。」
増加する損失
その後、カリフォルニア大学デービス校のコンピューター科学者であるアイザック・キム氏や、カリフォルニア工科大学の量子物理学者であり、今回の会議に出席した著名人の一人であるジョン・プレスキル氏など、最初の提案に懐疑的な人々もこのアイデアに同意するようになった。 2013 年のファイアウォール対決。
「この仕事が始まることは人づてに聞いた」とキム氏は語った。 「何か問題が起きているように聞こえました。」
金氏は事後選択の利用に動揺した。 過去の事後選択の申請にはタイムマシンや不当に強力な量子コンピュータの設計図が含まれていたため、その出現は危険信号として飛び出した。 彼は、屋外で放射線を測定し、その後落下する宇宙飛行士がどのように機能するかなど、最初のコードに欠けていた詳細が、事後選択と組み合わされて、外部の視点さえも混乱させ、そこにある情報を削除する可能性があるのではないかと疑っていました。
そしてXNUMX月、キムとプレスキル コードをアップグレードしました そして、ブラックホールが外部画像の情報を安全に放射し続けていることがわかりました。 彼らはまた、事後選択が、ブラックホールが途方もなく強力な計算を実行したり、宇宙飛行士を未来に打ち上げたりするための抜け穴として機能しないことも発見した。
「驚くべきことに、このモデルでは、事後選択を許可しても、そのようなことは起こりません」と彼は言う。 「それが私に、ここで正しいことが起こっていると確信させた理由です。」
デウルフと彼の共同研究者ケネス・ヒギンボザム 非可逆コードをさらに一般化した XNUMX月中。 彼らはまた、宇宙飛行士の落下にも耐えられると結論付けた。
他の研究者は、過去数か月を費やして、彼らのお気に入りの重力理論が損失を隠していないかどうかを確認しました。 XNUMX月、ブリティッシュコロンビア大学のアルジュン・カー氏 Harlow と同僚の非可逆コードを移植 2D 重力のよく知られた理論を当てはめたところ、それが成り立つことがわかりました。 「彼らは量子誤り訂正に関して興味深いことに本当に気づいたようです」と彼は言いました。
この道に沿って進み続けること、つまりさらなる重力理論における損失性の探索は、物理学者が実際の重力が実際にこのように機能するという自信を構築または破壊したいと望んでいる主な方法です。 実験によってコードを精査することを夢見る人はほとんどいません。
アーロンソン氏は、「この説明をどのように検証するかは明らかではないが、その上に量子重力理論をさらに構築し、その理論が成功するかどうかを確認すること以外は」と述べた。
しかし、ハーロウは夢想家です。 「不可能ではないと思います。 ただ難しいんです」と彼は言い、次のような思考実験を展開した。
小さなブラックホールを箱の中に置き、そこから出てくるホーキング放射のすべての光子を捕らえ、そのすべての情報を量子コンピューターに保存します。 内部粒子の観点からは、その情報はブラックホール内に存在するように見えるため、放射線を操作すると即座に粒子に影響を与える可能性があります。これは物理学者を悩ませるほど不気味な距離での実際の行為です。 「内部の何かを変えるような放射線に対して私ができることは何もあるべきではありません」とハーロウ氏は語った。 「それは、複雑さの限界を越えたために生じた故障です。」
しかし、そのような実験について空想するためにさえ、ハーロウは十分な時間を確保するために永遠の宇宙に切り替えなければなりません。なぜなら、私たちの膨張する宇宙の活動は、最も小さな宇宙の放射線を操作することを期待できるようになるまでに、何兆回も活動が停滞してしまうからです。ブラックホール。 (さらに、Susskind と他の研究者は、 関連する角度 ブラックホールパズルの研究者らは最近、複雑さと計り知れないほど長い期間に関連する重複するアイデアを発見しました。)
それにもかかわらず、ハーロウは宇宙の熱による死などの些細な事柄にはひるむことはありません。 光速に近い速度で走行する列車に関する不可能な思考実験がアインシュタインにとって十分であったとしても、彼にとってはそれで十分だと彼は信じている。
「私たちはまだ電車を持っていませんが、(相対性理論は)私たちがテストした他のさまざまなことに影響を及ぼします」と彼は言いました。
ハーロウは、一般の観察者が驚くかもしれない物理的証拠との関係を持つブラックホール物理学者の長い系列の最新人物です。 結局のところ、ホーキング放射の光子を XNUMX つも見た人はいないし、これからも誰も見ることはないでしょう。 ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡を本物のブラックホールの周りの軌道上に停めたとしても、それはあまりにも弱すぎます。
しかし、それでも、スティーブン・ホーキング博士やレナード・サスキンドからネッタ・エンゲルハート、クリス・エイカーズ、その他数十人に至るまで、何世代にもわたる物理学者が、ブラックホールから理論的根拠とともに転がり出てくる一連の矛盾にどう対処するかを精力的に議論することを止めなかった。光子の。
彼らは、自分たちの主張を構築し強化しながらも、ブラックホールが究極の宇宙刑務所を表しているのか、それとも激しい死刑判決を表しているのかを確認する唯一の決定的な方法は、当初は考えられなかった思考実験に着手することであることを認めています。
「意見の相違を解決することだけを考えているXNUMX人がいたら、彼らにできることは飛び込むことだけだ」とペニントン氏は語った。 「両方ともすぐに蒸発してしまい、結局解決しないか、それとも内側にたどり着き、どちらかが『ああ、当然だけど、私は間違っていた』と言うかのどちらかです。」
編集者注: ダニエル・ハーロウ氏とクリス・エイカーズ氏を含む、この記事で紹介されている多くの科学者は、編集上独立したこの雑誌にも資金を提供しているシモンズ財団から資金提供を受けています。 サイモンズ財団の資金提供に関する決定は、当社の報道内容には影響しません。 詳しい詳細は、 ここで入手可能.
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