Черную дыру предлагают использовать в качестве квантового компьютера

Излучение, исходящее из близкой к вращающимся черным дырам области, предлагают использовать в качестве носителя квантовой информации. Согласно расчетам астрофизика Овидиу Ракорена, после прохождения области сильного искривления пространства поляризация и орбитальный угловой момент — свойства света — становятся запутанными, что позволяет передавать квантовую информацию. Статья опубликована в журнале New Astronomy.

В квантовых компьютерах информация хранится в кубитах — элементах хранения информации, которые могут находиться в квантовой суперпозиции нескольких состояний. Это означает, что, в отличие от бита, который содержит в себе информацию в виде 0 или 1, кубит может содержать и 0, и 1 в запутанном состоянии. На сегодняшний момент ученые предложили несколько возможных реализаций кубита, например, основанные на сверхпроводящих токах или на NV-центрах (азото-замещенных вакансий в алмазе). Для передачи информации между кубитами можно использовать фотоны, параметры которых также должны быть запутаны.

Черные дыры — конечные этапы эволюции массивных звезд — это источники экстремальной гравитации, но они не могут поглощать вещество с бесконечной скоростью. Если его падает слишком много, то оно закручивается, разогревается и формирует аккреционный диск. Его температура может настолько увеличиться, что он начинет эффективно светить в рентгеновском диапазоне. Согласно теоретическим оценкам и численным моделям, фотоны этого излучения испытывают вращение плоскости поляризации и получают орбитальный угловой момент вследствие движения в непосредственной близости от вращающейся черной дыры.

Любая электромагнитная волна, в том числе рентгеновского диапазона, является поперечной. Это означает, что вектора ее электрической и магнитной компоненты колеблются в плоскости, перпендикулярной направлению распространения. Волна может быть поляризована, то есть направление вектора электрической компоненты будет не просто лежать в одной плоскости, но и подчиняться определенному закону. Согласно теории, движение вблизи вращающейся черной дыры вызывает вращение плоскости колебания электрической компоненты электромагнитной волны, то есть изменение поляризации.

В простейшем случае плоской электромагнитной волны поверхности одинаковой фазы являются просто плоскостями, движущимися одна за одной на расстоянии длины волны. Можно, однако, создать волну более сложной конфигурации, в которой поверхность одинаковой фазы будет иметь форму спирали. Это состояние электромагнитных колебаний, также называемое «закрученный свет», достаточно специфично, но физики уже умеют создавать его в лаборатории. В новой работе предсказывается естественное образование света с такими свойствами из-за взаимодействия с гравитационным полем вращающейся черной дыры.

«Исследователи в лабораториях уже используют делители лучей и призмы для запутывания этих свойств рентгеновских фотонов с целью использования для передачи квантовой информации, — поясняет автор новой работы Овидиу Ракорен из Главного управления информационными технологиями в Румынии. — Теперь представляется, что кривизна пространства-времени около черных дыр играет такую же роль, как и эти оптические инструменты».

Подтвердить гипотезу Ракорена в данный момент невозможно, однако это, вполне вероятно, станет реальностью после введения в строй рентгеновских телескопов следующего поколения. Около 2022 года должен состояться запуск американского спутника IXPE и европейского XIPE. «Если мы обнаружим зависимость поляризации рентгеновского излучения от расстояния до черной дыры, причем из самых внутренних областей диска будет приходить наименее поляризованное излучение, то мы подтвердим запутанность этих фотонов». В самом фантастическом варианте черные дыры удастся использовать как квантовые компьютеры, запуская фотон с определенными свойствами по нужной траектории.