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Si può recuperare un'informazione da un buco nero

Un gruppo di scienziati della Caltech University ha proposto un modo interessante per recuperare un'informazione caduta in un buco nero.

Si può recuperare un'informazione da un buco nero

Un gruppo di scienziati del California Institute of Technology ha pubblicato uno studio secondo cui è possibile recuperare le informazioni da un buco nero, o meglio un granello di informazione che è stato lasciato cadere in un buco nero.

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La teoria è molto complessa ed è impossibile da verificare in modo sperimentale, però è avvincente. I più scafati, se padroneggiano l'inglese e le formule matematiche, possono leggersi direttamente la relazione degli scienziati, che è pubblicata sul sito arXiv e che sarà edita sulla rivista Physical Review Letters.

Per tutti gli altri cerchiamo di dare una spiegazione che sia più semplice possibile, compatibilmente con gli argomenti in gioco.

Partendo dalla base, i buchi neri devono il loro nome al fatto che la loro gravità è così forte che nemmeno la luce può sfuggire. Come molti sapranno Stephen Hawking, uno dei padri moderni della teoria dei buchi neri, lo scorso anno ha rivisto parzialmente la sua idea spiegando che l'orizzonte degli eventi non è un muro senza ritorno, ma un turbinio di radiazioni che lascerebbe spazio non solo per l'ingresso di particelle, ma anche per la fuga di una loro frazione verso l'esterno.

Quest'anno lo stesso Hawking è tornato sull'argomento aggiungendo che "non sono le prigioni eterne che una volta si pensava. Le informazioni possono uscire da un buco nero, e forse lo fanno in un altro universo".

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Il fatto è che molti fisici non digeriscono il "paradosso dell'informazione del buco nero" perché contrasta con l'unitarietà e con il principio di conservazione dell'informazione. Una possibile via d'uscita fu quella proposta nel 1975 dallo stesso Hawking e che prese proprio il suo nome: la radiazione di Hawking chiama in causa i principi della meccanica quantistica e sostiene che i buchi neri possono irradiare particelle ed energia. La radiazione è il risultato di particelle virtuali che – nascendo in coppia nel vuoto cosmico – diventano reali a causa della forza gravitazionale del buco nero.

Detto in altri termini: grazie alle fluttuazioni quantistiche nello spazio vuoto compaiono coppie di particelle e antiparticelle che fluttuano in prossimità dell'orizzonte degli eventi. Hawking si rese conto che se questa coppia di particelle si trova in prossimità di un buco nero allora è probabile che una cada nel buco nero (quella con energia negativa) e l'altra resti nello spazio, allontanandosi dall'orizzonte degli eventi come Radiazione di Hawking.

Ebbene Aidan Chatwin-Davies, Adam Jermyn e Sean Carroll del California Institute of Technology (CalTech) di Pasadena hanno trovato un modo per recuperare le informazioni dalla particella quantistica caduta nel buco nero (qubit), utilizzando proprio la radiazione di Hawking e il teletrasporto quantistico.

Per spiegare la loro teoria in maniera comprensibile, i ricercatori hanno usato un esempio con due personaggi classici: Alice e Bob. Nella teoria quantistica un elettrone può girare in un modo (su), nell'altro (giù) o in entrambi i modi allo stesso tempo.  Questo spin viene definito "stato" e può essere descritto come un punto su una sfera, dove il polo nord è su e il polo sud è giù.  Le linee di latitudine denotano le differenti misure di sopra e sotto e le quelle di longitudine invece denotano la fase, ovvero come il sopra e il sotto delle due parti si accoppiano.

Se Alice dovesse misurare questo stato lo farebbe collassare perdendo le informazioni collegate. Quindi lei non è in grado di misurare lo stato e mandare l'informazione a Bob, però potrebbe trasferirla intatta.  Vediamo in che modo.

Qui entra in gioco l'entanglement quantistico. In sostanza le informazioni sotto forma di qubit possono essere immediatamente trasportate da una particella all'altra, senza bisogno che abbiano un contatto fisico.

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Alice e Bob potrebbero condividere una coppia di elettroni e connetterli tramite entanglement. Lo stato di entrambe le particelle "entangled" è incerto perché i loro punti potrebbero essere in qualsiasi parte del globo. Ma i loro stati sono correlati, quindi se Alice misura la sua particella e vede che gira in su, può capire istantaneamente che l'elettrone di Bob ha uno spin in giù.

Se Alice ha i suoi due elettroni, uno dello stato che lei vorrebbe trasferire e l'altro che è collegato a Bob tramite entanglement, Bob probabilmente ne ha solo uno che è connesso a quello "entangled" di Alice.

Per completare il trasporto Alice prende vantaggio da un'altra proprietà della meccanica quantistica, ossia che la misurazione non rileva soltanto qualcosa di un sistema ma ne cambia anche lo stato. Supponiamo che Alice prenda due elettroni che non sono collegati tramite entanglement e decida di fare una misurazione: non appena la fa lo stato dei due elettroni cambia e diventano legati dall'entanglement. Questa misurazione però rompe la connessione dei due elettroni che lei condivideva con Bob, ma allo stesso tempo forza l'elettrone di Bob nello stato in cui lei avrebbe voluto trasferire l'informazione.

Gli scienziati del Caltech hanno fatto la stessa cosa con lo stato di un elettrone fuori da un buco nero. Supponiamo che Alice sia fuori dal buco nero con il suo elettrone. Catturerà una coppia di fotoni dalla radiazione di Hawking: uno lo tiene a l'altro cade nel buco nero. Il fotone e creerà il link quantistico con il suo partner fotone che è caduto all'interno del buco nero.

Alice misura il momento angolare e la rotazione del buco nero, ed è in possesso di informazioni come la rotazione e l'orientazione del buco nero. A questo punto lascia cadere il suo elettrone nel buco nero.

Alice può ancora recuperare l'informazione sullo stato dell'elettrone. Tutto quello che deve fare è misurare ancora la rotazione e l'orientazione del buco nero. In questo modo crea l'entanglement con il fotone che è nel buco nero. Allo stesso tempo trasferisce lo stato dell'elettrone che era andato perso per sempre al fotone che Alice ha catturato. Quindi questa informazione adesso è osservabile.  

In sostanza tutto questo significa che l'entanglement può essere manipolato per recuperare informazioni da un buco nero.  Tuttavia, ci sono limitazioni a questo esperimento mentale. È un protocollo molto specifico e non permette di recuperare più di un qubit per volta, quindi non c'è modo di generalizzare la procedura.

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