WikiDer > Мысленный эксперимент Хайдена-Прескилла

Hayden-Preskill thought experiment

В квантовая информация, то Мысленный эксперимент Хайдена-Прескилла (также известный как Протокол Хайдена-Прескилла) - мысленный эксперимент, исследующий парадокс информации о черной дыре предполагая, сколько времени требуется для декодирования информации, передаваемой в черная дыра из его Радиация Хокинга.[1]

Мысленный эксперимент относительно Алиса и Боб выглядит следующим образом: Алиса бросает k квантовое состояние кубита в черную дыру, запутанную с квантовый компьютер. Боб собирает излучение Хокинга, испускаемое Черной дырой, и передает его в свой квантовый компьютер, где он применяет соответствующие квантовые вентили, которые расшифровывают состояние Алисы. Бобу нужно как минимум k кубиты из излучения Хокинга черной дыры для декодирования квантового состояния Алисы.[2]

Черную дыру можно рассматривать как квантовое информационное зеркало, потому что оно почти мгновенно возвращает зашифрованную информацию. С задержкой, которую можно объяснить временем скремблирования и временем, которое требуется черной дыре для излучения кубитов.[3] Этот метод декодирования, известный как схема декодирования Йошида-Китаева, теоретически может быть применен к небольшой системе, термализованной с большой системой. Это открывает возможность проверить мысленный эксперимент Хайдена-Прескилла в реальной жизни.[4]

Модели

Ниже представлены модели, использованные для исследования мысленного эксперимента Хайдена Прескилла.

Игрушечная модель для тяжелых и мягких режимов

Несимметричные моды с низкой энергией называются мягкими, а моды с высокой энергией - тяжелыми. Используя энергосбережение и игрушечная модель, становится ясно, что сокрушительное излучение классически соответствует тяжелым модам. Протоколу Hayden-preskill соответствуют только мягкие режимы. В игрушка-модель основан на четком различии между тяжелыми и мягкими модами на основе термодинамических свойств, энергии и заряда.[5]

Модели Дике

Для физического представления протокола Хайдена-Прескилла можно использовать модели Дике.[6] Используя систему двух Модели Дикебыло обнаружено, что когда данные бросаются в черную дыру, начальная информация о вращении может быть считана после того, как они были зашифрованы в полости. В одной системе скремблирование информации не позволяет декодировать информацию; однако, если термополе используется двойное состояние, скремблирование информации позволяет считывать информацию о начальном состоянии. Следовательно, эффективность декодирования максимальна, когда скремблирование является самым быстрым и когда система наиболее хаотична.[6]

Декодирование верности

Если точность декодирования постоянна, черная дыра будет действовать аналогично зеркалу и почти сразу же будет отражать любую информацию, которая попадает в нее. Однако, если бы можно было проводить эксперименты, протокол Хайдена-Прескилла привел к некоторой потере информации. Напомним, что при декодировании информации из черная дыра нам нужно раннее излучение, которое будет называться B ', и позднее излучение, которое будет называться D, чтобы восстановить исходное государственный A. Есть ошибка, возникающая из-за сохранения раннего излучения B '. Кубиты могут быть случайно потеряны при хранении. Кроме того, раннее излучение и черная дыра изначально максимально запутаны, но декогеренция появляется со временем. В конечном счете, потеря информации из-за стирания в хранилище намного более значима, чем декогеренция, потому что потеря информации из-за декогеренция можно частично восстановить при понимании запутанность.[7]

Комплементарность черной дыры и межсетевые экраны

Мысленный эксперимент Хайдена-Прескилла предполагает, что информацию, попавшую в черную дыру, можно восстановить с помощью отхаркивающая радиацияВозникает вопрос: попадает ли информация, попадающая в черную дыру, внутрь или излучается? Один из подходов к этому - концепция комплементарность черной дыры, который утверждает, что наблюдатель, вращающийся вокруг черной дыры, наблюдает информацию, излучаемую наружу, как поглощающую радиацию, в то время как наблюдатель, который падает в черную дыру, наблюдает, как информация падает внутрь. Похоже, это не нарушает принцип квантовой механики запрета клонирования, поскольку вы можете измерить только одно или другое; Если вы упадете в черную дыру и измеряете кубит, вы не сможете уйти, а затем измерить сокрушающую радиацию. Комплементарность черной дыры имеет четыре основных постулата:

  1. Излучение Хокинга находится в чистом виде. Чёрную дыру можно рассматривать как квантовый оператор, который принимает квантовое состояние исходной массы и преобразует его в квантовое состояние отравляющего излучения с точки зрения удаленного наблюдателя.
  2. За пределами черной дыры горизонт событий, полуклассические уравнения поля остаются в силе.
  3. Черная дыра - это квантовая система с дискретными уровнями энергии с точки зрения удаленного наблюдателя.
  4. Свободно падающий наблюдатель не встречает ничего уникального или странного; прохождение горизонта событий не отмечено наблюдаемыми явлениями, присущими самому горизонту.

Согласно Альмхейри, постулаты 1, 2 и 4 Марольфа, Полчинского и Салли противоречат друг другу. Допустим, мы разделяем отхаркивающее излучение, покидающее черную дыру, на два периода времени: один «ранний» и один «поздний». Поскольку хищное излучение является чистым состоянием, основанным на квантовой волновой функции исходной массы, излучение позднего ястреба должно быть запутано с излучением раннего ястреба. Однако комплементарность черной дыры также подразумевает, что исходящее хищное излучение запутано с информацией внутри черной дыры. Это нарушает так называемую «моногамию запутанности» - идею о том, что квантовая система может быть запутана только с одной другой квантовой системой. Чтобы решить эту проблему, либо постулат 2, либо постулат 4 должен быть ложным: если постулат 2 ложен, то должна существовать какая-то экзотическая динамика, выходящая за горизонт событий, которая разрешает этот конфликт; если постулат 4 ложен, то переплетение внутренней и внешней информации должно быть нарушено, что приведет к созданию высокоэнергетических мод. Эти высокоэнергетические режимы создают "брандмауэр"сжигающий все, что попадает в черную дыру.[8]

Рекомендации

  1. ^ Хайден, Патрик; Прескилл, Джон (2007). «Черные дыры как зеркала: квантовая информация в случайных подсистемах». Журнал физики высоких энергий. 2007 (9): 120. arXiv:0708.4025. Bibcode:2007JHEP ... 09..120H. Дои:10.1088/1126-6708/2007/09/120. S2CID 15261400.
  2. ^ Джон Прескилл (апрель 2017 г.). "Вот один из способов выбраться из черной дыры!". Квантовые границы. Получено 2019-06-30.
  3. ^ Йошида, Бени; Китаев, Алексей (2017-10-16). «Эффективное декодирование протокола Хайдена-Прескилла». arXiv:1710.03363 [hep-th].
  4. ^ Ченг, Янтин; лю, Чанг; Го, Цзинькан; Чен, Ю; Чжан, Пэнфэй; Чжай, Хуэй (2019-09-27). «Реализация протокола Хайдена-Прескилла с помощью связанных моделей Дике». arXiv:1909.12568 [конд-мат. квант-газ].
  5. ^ Йошида, Бени (2019-10-07). «Мягкий режим и оператор интерьера в мысленном эксперименте Хайдена-Прескилла». Физический обзор D. 100 (8): 086001. Дои:10.1103 / PhysRevD.100.086001. ISSN 2470-0010.
  6. ^ а б Ченг, Янтин; Лю, Чанг; Го, Цзинькан; Чен, Ю; Чжан, Пэнфэй; Чжай, Хуэй (2020-10-05). «Реализация протокола Хайдена-Прескилла со связанными моделями Дике». Physical Review Research. 2 (4): 043024. Дои:10.1103 / PhysRevResearch.2.043024. ISSN 2643-1564.
  7. ^ Бао, Нин; Кикучи, Юта (28 сентября 2020). «Расшифровка Хайдена-Прескилла по шумному излучению Хокинга». arXiv: 2009.13493 [hep-th, физика: Quant-ph].
  8. ^ Альмхейри, Ахмед; Марольф, Дональд; Полчинский, Джозеф; Салли, Джеймс (2013-02-11). «Черные дыры: взаимодополняемость или брандмауэры?». Журнал физики высоких энергий. 2013 (2): 62. Дои:10.1007 / JHEP02 (2013) 062. ISSN 1029-8479.