[論文レビュー] Free fall onto evaporating black holes at the quantum limit

van Putten, H P M Maurice|arXiv (Cornell University)|Jun 25, 2015

Quantum Electrodynamics and Casimir Effect被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、ブラックホール蒸発がホーキング放射と関連した離散的量子ステップとして進行することを提案している。蒸発過程において、自由落下する粒子はブラックホールと同時に進化し、EM = 定数を維持しながら、時空とますますもつれていく。太陽質量ブラックホールでは、1光子放出あたり最大2.7 × 10^79量子ビット演算が可能である。

ABSTRACT

Black hole space times evaporate in discrete steps due to remarkably slow Hawking radiation. We here identify evaporation with essentially extremal states at the limit of quantum computation, performing $2.7 imes 10^{79}$ bit calculations per photon emission in a one solar mass black hole. During evaporation, particles in free fall co-evolve satisfying $EM=$constant, where $E$ and $M$ denote the total mass energy-at-infinity of the particle and, respectively, black hole. Particles are hereby increasingly entangled with the black hole space-time over the course of its evaporation.

研究の動機と目的

• ブラックホール蒸発と量子計算の限界との関係を明らかにすること。
• 自由落下する粒子が量子制約下で蒸発するブラックホールと同時にどのように進化するかをモデル化すること。
• 蒸発過程において、落下する粒子とブラックホール時空とのもつれが果たす役割を調査すること。
• 光子放出における量子限界下でのブラックホールの計算容量を定量化すること。

提案手法

• ホーキング放射によって駆動される離散的量子ステップとしてブラックホール蒸発をモデル化すること。
• 蒸発過程を、計算可能性の限界に達した状態における極限的量子状態と同一視すること。
• 粒子の無限遠における全エネルギーEとブラックホール質量Mの間の条件EM = 定数を適用し、共進化を記述すること。
• 量子情報の原則を用いて、1光子放出あたりの量子ビット演算数を評価すること。
• 時間経過に伴い、落下する粒子とブラックホール時空とのもつれがどのように増大するかを分析すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 量子限界におけるブラックホール蒸発は、ブラックホールの最大計算容量とどのように関係するか？
• RQ2 EM = 定数という条件は、自由落下する粒子と蒸発過程との共進化を記述する上で果たす役割は何か？
• RQ3 蒸発過程を通じて、粒子がブラックホール時空とどれほどもつれるようになるか？
• RQ4 太陽質量ブラックホールにおいて、量子限界下で1光子放出あたり何回の量子ビット演算が達成可能か？
• RQ5 ホーキング放射の離散的性質は、ブラックホール蒸発の量子計算モデルにどのように影響を与えるか？

主な発見

• ブラックホール蒸発は、ホーキング放射の遅い速度ゆえに、離散的量子ステップとして進行する。
• 蒸発過程は、計算可能性の限界に達した状態における極限的量子状態と同一視される。
• 太陽質量ブラックホールでは、1光子放出あたり約2.7 × 10^79ビット演算が実行可能である。
• 自由落下する粒子は、EM = 定数を維持しながらブラックホールと同時に進化する。
• 蒸発過程を通じて、粒子とブラックホール時空とのもつれは進行的に増大する。