Buracos negros são monstros gravitacionais, comprimindo gás e poeira até um ponto microscópico como grandes compactadores de lixo cósmico. A física moderna determina que, depois de consumida, as informações sobre esse assunto sejam perdidas para sempre no universo. Mas um novo experimento sugere que pode haver uma maneira de usar a mecânica quântica para obter uma visão do interior de um buraco negro.
"Na física quântica, as informações não podem ser perdidas", disse Kevin Landsman, estudante de física do Joint Quantum Institute (JQI) da Universidade de Maryland em College Park, à Live Science. "Em vez disso, as informações podem ser ocultadas ou embaralhadas" entre partículas subatômicas e indissociáveis.
Landsman e seus co-autores mostraram que eles podiam medir quando e com que rapidez as informações eram embaralhadas dentro de um modelo simplificado de um buraco negro, fornecendo uma possível espiada nas entidades impenetráveis. As descobertas, que aparecem hoje (6 de março) na revista Nature, também podem ajudar no desenvolvimento de computadores quânticos.
Buracos negros são objetos infinitamente densos, infinitamente pequenos, formados a partir do colapso de uma estrela gigante e morta que se tornou supernova. Por causa de sua enorme atração gravitacional, eles sugam o material circundante, que desaparece atrás do que é conhecido como horizonte de eventos - o ponto passado do qual nada, incluindo a luz, pode escapar.
Na década de 1970, o famoso físico teórico Stephen Hawking provou que os buracos negros podem encolher ao longo da vida. De acordo com as leis da mecânica quântica - as regras que determinam o comportamento das partículas subatômicas em escalas minúsculas - pares de partículas surgem espontaneamente, fora do horizonte de eventos de um buraco negro. Uma dessas partículas cai no buraco negro enquanto a outra é impulsionada para fora, roubando uma pequena quantidade de energia no processo. Em escalas de tempo extremamente longas, é roubada energia suficiente para que o buraco negro evapore, um processo conhecido como radiação Hawking, como a Live Science relatou anteriormente.
Mas há um dilema escondido no coração infinitamente denso do buraco negro. A mecânica quântica diz que as informações sobre uma partícula - sua massa, momento, temperatura e assim por diante - nunca podem ser destruídas. As regras da relatividade afirmam simultaneamente que uma partícula que passou pelo horizonte de eventos de um buraco negro se uniu à quebra infinitamente densa no centro do buraco negro, o que significa que nenhuma informação sobre ela pode ser recuperada novamente. As tentativas de resolver esses requisitos físicos incompatíveis não tiveram êxito até o momento; os teóricos que trabalharam no problema chamam o dilema de paradoxo da informação do buraco negro.
Em seu novo experimento, Landsman e seus colegas mostraram como obter algum alívio para esse problema usando a partícula que voa para fora em um par de radiação Hawking. Por estar emaranhado com seu parceiro infalor, o que significa que seu estado está inextricavelmente ligado ao de seu parceiro, medir as propriedades de um pode fornecer detalhes importantes sobre o outro.
"É possível recuperar as informações lançadas no buraco negro fazendo um cálculo quântico massivo sobre essas saídas", disse Norman Yao, físico da Universidade da Califórnia, Berkeley, e membro da equipe.
As partículas dentro de um buraco negro tiveram todas as suas informações "mecanicamente" quantum "embaralhadas". Ou seja, suas informações foram caoticamente misturadas de uma maneira que tornaria impossível a extração. Mas uma partícula emaranhada que se mistura nesse sistema pode potencialmente passar informações ao seu parceiro.
Fazer isso para um buraco negro do mundo real é irremediavelmente complicado (e, além disso, é difícil encontrar buracos negros em laboratórios de física). Assim, o grupo criou um computador quântico que executava cálculos usando bits quânticos emaranhados, ou qubits - a unidade básica de informação usada na computação quântica. Eles então montaram um modelo simples usando três núcleos atômicos do elemento Itérbio, que estavam todos enredados.
Usando outro qubit externo, os físicos foram capazes de dizer quando as partículas no sistema de três partículas foram embaralhadas e puderam medir o quão embaralhadas elas se tornaram. Mais importante ainda, seus cálculos mostraram que as partículas foram embaralhadas especificamente umas com as outras no ambiente, disse à Live Science Raphael Bousso, físico teórico da UC Berkeley que não estava envolvido no trabalho.
"É uma conquista maravilhosa", acrescentou. "Acontece que distinguir qual dessas coisas realmente está acontecendo com o seu sistema quântico é um problema muito difícil".
Os resultados mostram como os estudos de buracos negros estão levando a experimentos que podem sondar pequenas sutilezas na mecânica quântica, disse Bousso, que podem se tornar úteis no desenvolvimento de futuros mecanismos de computação quântica.
