[論文レビュー] Black Holes Conserve Information in Curved-Space Quantum Field Theory

Christoph Adami, Greg L. Ver Steeg|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2008

Quantum Electrodynamics and Casimir Effect参考文献 18被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、曲がった時空における量子場理論において、イベントホライズンでのスティムレートド放射を含めることで、ブラックホール情報の喪失が解消されることを示している。情報の喪失は、吸収された粒子に起因するエントロピー増加が、ホーキング放射および散乱放射におけるもつれエントロピーによって相殺されることで、ユニタリティの保存が保証される。これにより、放射は非熱的であり、量子誤り訂正によって回復可能となる。

ABSTRACT

We show that black hole formation and evaporation in curved-space quantum field theory is unitary if stimulated (as well as spontaneous) emission at the event horizon is taken into account. In particular, we show that the entropy accreted by a black hole when particles cross the event horizon is exactly balanced by a commensurate entropy increase of the rest of the universe, owing to the quantum entanglement between the black hole, Hawking radiation, and scattered radiation (including stimulated emission). As a consequence, the emitted radiation is non-thermal, and information can be retrieved using standard error corrections methods for noisy quantum channels.

研究の動機と目的

• 曲がった時空における量子場理論において、ブラックホール情報パラドックスを解消すること。
• ブラックホールの形成および蒸発過程でユニタリティが保存されるかどうかを調査すること。
• イベントホライズンにおけるスティムレートド放射が情報保存を維持する役割を検討すること。
• ブラックホールが吸収したエントロピーが、外部放射場におけるもつれエントロピーとどのようにバランスをとるかを分析すること。
• 放出された放射が、標準的な量子誤り訂正技術を用いて再構成可能かどうかを特定すること。

提案手法

• スティムレートド放射と自発的放射の両方を含む、曲がった時空における量子場理論を用いて、ブラックホールの形成および蒸発をモデル化すること。
• ブラックホール、ホーキング放射、散乱放射（スティムレートド放射を含む）間の量子もつれをエントロピー計算に組み込むこと。
• エントロピーのバランスをとる議論を適用し、吸収された粒子に起因するエントロピー増加が、放射におけるもつれエントロピーによって正確に相殺されることを示すこと。
• 標準的な量子誤り訂正フレームワークを用いて、放出された放射から情報を取り戻す可能性を評価すること。
• イベントホライズンを、スティムレートド放射がユニタリティの保存を保証する量子インターフェースとして取り扱うこと。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 イベントホライズンにおけるスティムレートド放射の含めることで、ブラックホール蒸発におけるユニタリティが回復されるか？
• RQ2 吸収された粒子のエントロピーが、放射場におけるもつれエントロピーとどのようにバランスをとるか？
• RQ3 放出された放射が非熱的でありながら、回復可能な情報を運ぶことができるか？
• RQ4 ブラックホール、ホーキング放射、散乱放射間の量子もつれが、情報保存にどの程度寄与するか？
• RQ5 放射場が、標準的な量子誤り訂正手法を用いた情報回復に適しているか？

主な発見

• イベントホライズンにおけるスティムレートド放射を量子場理論の記述に含めることで、ブラックホール蒸発はユニタリティを保つ。
• 粒子がブラックホールに落下した際のエントロピー増加は、宇宙の残りの部分におけるもつれエントロピーの増加によって正確に相殺される。
• スティムレートド放射と量子相関の寄与のおかげで、放出された放射は非熱的である。
• 吸収された粒子が運ぶ情報は、ノイズのある量子チャネルを対象とした標準的な量子誤り訂正技術を用いて回復可能である。
• ブラックホール、ホーキング放射、散乱放射間のもつれを通じて、全エントロピーが保存される。
• このメカニズムにより、情報の喪失が回避され、曲がった時空における量子場理論の枠組み内でのブラックホール情報パラドックスが解消される。