Gravitationally Induced Entanglement Across an Event Horizon
本論文は、重力遅延ポテンシャルがブラックホール事象の地平線を横断するもつれ生成を可能にする一方で、この状態を径方向に抽出することはソフト・グラビトン・ブレムストラールングによるデコヒーレンスを誘発し、他方で量子消去を用いた接線方向のハーベスティングは、時空が径方向のもつれを不可逆的に劣化させる一方で横方向のテレポーテーションを無限遠へと許容するという幾何学的双対性を明らかにするものであることを示している。
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数十年にわたり、物理学者たちはブラックホールに関する厳格な規則の下で研究を行ってきました。それは、一度「事象の地平線」として知られる目に見えない境界を越えてしまえば、その物体は永遠に宇宙の残りと遮断されるというルールです。この境界は一方通行のドアとして機能し、光でさえも外へ戻ることはできません。このため、もし2つの粒子がこの境界によって隔てられ、一方が内部に、もう一方が外部にある場合、それらが「量子もつれ」と呼ばれる奇妙な形で結びつくことは不可能であると科学者たちは考えてきました。量子もつれとは、一方の粒子の状態が、どれほど距離が離れていても瞬時にもう一方に影響を与える接続のことですが、通常は両者が直接相互作用することを必要とします。事象の地典は新たな相互作用を阻むため、この境界を越えてリンクを作り出すことは不可能であるというのが、これまでの定説でした。
しかし、新しい理論的研究は、この長年の仮定が間違っている可能性を示唆しています。この研究は、重力のみを用いて、ブラックホールへと落下していく物体と、外側に留まっている物体の間に、この量子的なリンクを生成する方法を提案しています。この研究は、物理法則を破るような、ブラックホールから情報を送り返すことができると主張しているわけではありません。そうではなく、重力の力が時間の経過とともに作用することで、物体が「戻れない点」を越えた後であっても、二つの物体の間に量子的な繋がりを織りなすことができることを示しています。この知見は、重力が有限の速度で伝わるという考えに基づいています。つまり、外側にある物体は、内側の物体が地平線を越える前の「過去」の重力の影響を依然として感じ続けているのです。
ヨーク大学の研究者たちは、2つの重い微小プローブを用いた思考実験を設計しました。一方のプローブは超大質量ブラックホールへと落下し、もう一方はその傍らで、事象の地平線のすぐ外側に留まりながら共に落下します。両方のプローブは、一度に2つの場所に同時に存在する状態、すなわち「空間的重ね合わせ」と呼ばれる特別な状態で準備されます。落下する過程で、地平線の内側にあるプローブの重力場が、外側にあるプローブと相互作用します。重力が伝わるには時間がかかるため、外側のプローブは内側のプローブの履歴（過去の姿）による重力の影響を受けます。この相互作用はゲートのように機能し、特定の量子的なリンクを生み出します。研究によれば、映画『インターステラー』に登場するような質量を持つブラックホールの場合、このプロセスは、地平線から約114マイクロメートルの距離において、わずか約0.38ピコ秒という極めて短い時間枠の中で起こり得ると計算されています。
理論上はこのリンクを作成できることが示されていますが、論文は同時に深刻な落とし穴についても明らかにしています。この接続を利用するためには、外側にあるプローブをブラックホールから引き離して測定しなければなりません。しかし、この重い物体を停止させ、引き戻そうとする行為は、時空の構造そのものに対して激しい反応を引き起こします。物体が減速する際、それはまるで急ブレーキをかけた車が埃を巻き上げるように、重力波のバーストを放出します。この放出が繊細な量子リンクをかき乱し、それが運んでいた情報の大部分を破壊してしまうのです。研究者たちは、最も強力なリンクを得ようとした場合でも、情報の回収におけるエラー率は45パーセント近くに達し、その接続は実用的な目的においてはほとんど役に立たないものになると指摘しました。このシナリオにおける宇宙は、リンクの生成は許容するものの、それを引き離そうとした瞬間に、直ちにその質を劣化させてしまうのです。
しかし、この破壊を回避するための巧妙な回避策が存在します。ただし、それには対象となる物体の性質を変える必要があります。固形物を用いると、それをこれほど急速に停止させるために必要な力によって物体が砕けてしまうため、研究者たちは電磁場に閉じ込められた強烈な光のビームを使用することを提案しています。光を用いることで、チームは力が完璧に打ち消し合うように実験を構成できます。このセットアップでは、光ビームが完璧な鏡像対称性を持って移動することで、破壊的な重力波の放出を防ぐことができます。これにより、量子リンクが保持され、遠方の観測者に送ることができるフォトンのへと転送することが可能になります。
その結果、ブラックホール付近における空間と時間の振る舞いには、驚くべき二面性が浮かび上がります。もし、もつれた物体を真っ直ぐ外へ引き出そうとすれば、避けられないノイズによって宇宙は接続を劣化させます。しかし、もし光を用いた特定の幾何学的な配置を用いれば、地平線の「一方通行のルール」を破ることなく、もつれた状態を無限遠へとテレポートさせることができるのです。この研究は、事象の地平線がすべての形態の量子相互作用に対する絶対的な壁であるという深い信念に疑問を投げかけています。むしろ、たとえその架け橋が脆弱で渡るのが困難であったとしても、重力がその隔たりを繋ぐことができることを示唆しています。宇宙は接続が生まれることを許していますが、それを収穫しようとする者に対しては、光の精密な対称性を利用して劣化を回避しない限り、重い代償を要求するのです。
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