Recent heeft er een grote verschuiving plaatsgevonden in de manier waarop natuurkundigen denken over de quantumzwaartekracht – de gecombineerde theorie van quantummechanica en zwaartekracht. Deze perspectiefwisseling kwam voort uit de ontdekking dat een groot aantal zuiver quantummechanische systemen, waarin de zwaartekracht dus geen rol speelt, onverwacht beschreven kunnen worden met dezelfde wiskunde als theorieën van quantummechanica en zwaartekracht. Het is alsof dezelfde handleiding gebruikt wordt voor twee heel verschillende spellen – hoewel een betere analogie misschien die is van een cryptogram met een verborgen boodschap, aangezien het niet altijd eenvoudig is om resultaten van het ene systeem naar het andere te vertalen.

Coderen en decoderen

Toch kan men de verborgen quantumzwaartekrachtstheorie tevoorschijn toveren door nauwkeurig te bestuderen hoe de informatie daarover gecodeerd is in het zuiver quantummechanische systeem. Een bijzonder interessante vraag daarbij is hoe bekende objecten in de quantumzwaartekrachtstheorie – zwarte gaten, bijvoorbeeld – beschreven kunnen worden in de taal van het quantummechanische model.

In een artikel dat deze week in Physical Review X werd gepubliceerd, beschrijven UvA-natuurkundige Michael Walter en vijf van zijn collega’s van de universiteiten van Stanford, Caltech, Harvard en Brandeis, een wiskundige constructie voor deze vertaalslag. Met behulp van technieken die oorspronkelijk werden ontwikkeld om ruis in de verwerking van quantuminformatie te onderdrukken, construeren ze een ‘communicatiekanaal’ waarin objecten aan de quantumzwaartekrachtkant ingevoerd kunnen worden, en dat de overeenkomstige objecten aan de zuiver quantummechanische kant uitvoert.

Overbodige informatie en herstel

Een unieke uitdaging voor dit vertalingsprotocol is dat objecten uit het quantumzwaartekrachtsmodel gecodeerd worden op een manier die ‘dubbelop’ is in de quantumtheorie: er is overbodige informatie aanwezig. Dat wil zeggen: zelfs als een deel van de quantummechanische informatie gewist wordt, is het soms nog steeds mogelijk om de informatie over objecten in de quantumzwaartekracht volledig te herstellen. De auteurs construeren een ‘herstelfunctie’ die laat zien hoe quantumzwaartekrachtsinformatie hersteld kan worden als een deel van de overbodige quantuminformatie wordt gewist. Aangezien de mogelijkheid om heen en weer te vertalen tussen verschillende equivalente beschrijvingen van quantumzwaartekrachtsobjecten ten grondslag ligt aan veel van de recente onderzoeksontwikkelingen in dit vakgebied, zou dit nieuwe ‘communicatiekanaal’ een heel nuttig gereedschap kunnen blijken voor toekomstig onderzoek aan dit intrigerende onderwerp.

Referentie

Jordan Cotler, Patrick Hayden, Geoffrey Penington, Grant Salton, Brian Swingle en Michael Walter, Entanglement Wedge Reconstruction via Universal Recovery Channels, Phys. Rev. X 9, 031011.