Approximate locality, black hole complementarity and overlapping qubits
Questo articolo presenta un modello giocattolo di un buco nero evaporante utilizzando qubit sovrapposti e gradi di libertà approssimativamente locali, il quale realizza naturalmente la complementarità dei buchi neri prevenendo la fattorizzazione esatta dello spazio di Hilbert e riproduce con successo la curva di Page attraverso la sovrapposizione dell'entropia.
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Immaginate l'universo come l'ultimo spettacolo di magia, dove il trucco più sconcertante coinvolge un buco nero. Per decenni, i fisici hanno discusso su cosa accada quando un buco nero mangia qualcosa e poi evapora lentamente. Il problema inizia con una regola chiamata "unitarietà", che è fondamentalmente la promessa dell'universo che l'informazione non vada mai veramente perduta, ma venga solo rimescolata. Se un buco nero scompare, l'informazione su ciò che è caduto all'interno dovrebbe essere nascosta nella radiazione residua. Ma ecco il punto: se si prova a guardare la radiazione all'esterno e la materia ancora all'interno del buco nero contemporaneamente, sembra che la stessa informazione esista in due posti diversi nello stesso momento. Nel mondo della meccanica quantistica, questo è un grande no, come un mago che tira fuori lo stesso coniglio da due cappelli diversi simultaneamente. Questo paradosso ha portato a teorie selvagge, incluso l'idea che la superficie di un buco nero sia un muro infuocato di energia (un "firewall") che distrugge tutto ciò che tenta di attraversarlo, o che le leggi della fisica si rompano in modi che non possiamo ancora spiegare. La domanda non riguarda solo i buchi neri; riguarda se la nostra comprensione di come lo spazio, il tempo e l'informazione si incastrino sia fondamentalmente interrotta.
Ora, un team di ricercatori ha proposto un nuovo modo di guardare questo enigma usando un concetto chiamato "qubit sovrapposti". Pensate a un qubit come a un minuscolo, fondamentale bit di informazione, come un pixel in un'immagine cosmica. Di solito, immaginiamo questi pixel come tasselli distinti e separati su un pavimento. Ma in questo nuovo modello, i tasselli non sono affatto separati; sono come trasparenze sovrapposte l'una sull'altra. Se avete una pila di fogli trasparenti, potete disegnare un quadro sul foglio superiore e un quadro diverso su quello inferiore, ma poiché si sovrappongono, le linee di quello inferiore filtrano leggermente attraverso il primo. Gli autori suggeriscono che l' "interno" di un buco nero e la radiazione "esterna" non siano due stanze separate con una porta tra loro. Inveve, sono due modi diversi di guardare lo stesso identico insieme di trasparenze sovrapposte.
Nel loro articolo, il team ha costruito un modello informatico semplificato per testare questa idea. Non hanno dimostrato che i buchi neri funzionino in questo modo nella realtà, ma hanno mostato che, se si assume che l'universo utilizzi questi bit sovrapposti, la matematica improvvisamente torna. Hanno scoperto che è possibile avere la stessa informazione che appare in due posti senza effettivamente infrangere le regole della meccanica quantistica, perché l' "interno" e l' "esterno" sono solo rappresentazioni diverse dello stesso insieme di algebra sottostante. È come avere due mappe diverse della stessa città: una mappa mostra le strade, e l'altra mostra le linee della metropolitana. Sembrano diverse, ma stanno descrivendo esattamente lo stesso territorio. Grazie a questa sovrapposizione, il modello permette all'informazione di sfuggire naturalmente al buco nero, recuperando un pattern specifico di crescita dell'entropia noto come "curva di Page", che è ciò che ci aspettiamo di vedere se l'informazione viene preservata. Tuttavia, gli autori avvertono con cura che questo è un modello giocattolo — una simulazione semplificata che utilizza vettori matematici casuali e fermioni. Suggeriscono che, sebbene questo approccio eviti il paradosso del "clonaggio" e spieghi come l'informazione possa essere recuperata, esso si basa sull'idea che la stretta separazione tra spazio e tempo sia solo un'approssimazione. Nelle loro simulazioni, il problema del "firewall" scompare perché l'interno e l'esterno non sono mai stati veramente separati fin dall'inizio, ma questa è una costruzione teorica che deve ancora essere testata contro teorie fisiche più complesse e realistiche.
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