[논문 리뷰] Free fall onto evaporating black holes at the quantum limit

van Putten, H P M Maurice|arXiv (Cornell University)|2015. 06. 25.

Quantum Electrodynamics and Casimir Effect인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 블랙홀 증발이 이산적인 양자 단계를 거쳐 일어나며, 호킹 복사와 극한 양자 계산을 연결한다. 블랙홀 증발 기간 동안 자유 낙하 입자는 블랙홀과 함께 공진화하면서 EM = 일정을 유지하며 시공간과 점점 더 얽히게 되며, 태양질량 블랙홀의 경우 한 광자 방출당 최대 2.7 × 10^79 큐비트 연산이 가능하다.

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.

연구 동기 및 목표

• 블랙홀 증발과 양자 계산의 한계 사이의 관계를 탐구하기.
• 자유 낙하 입자가 양자 제약 조건 하에서 증발하는 블랙홀과 함께 어떻게 진화하는지 모델링하기.
• 증발 기간 동안 낙하 입자와 블랙홀 시공간 사이의 얽힘의 역할을 조사하기.
• 광자 방출 시 블랙홀의 양자 한계에서의 계산 용량을 정량화하기.

제안 방법

• 호킹 복사에 의해 구동되는 이산적인 양자 단계로 블랙홀 증발을 모델링하기.
• 증발 과정을 계산 가능성을 극한으로 한계에 둔 극한 양자 상태와 동일시하기.
• E가 입자의 무한한 곳에서의 총 에너지이고 M이 블랙홀의 질량일 때, EM = 일정 조건을 적용하여 공진화를 기술하기.
• 큐비트 연산 수를 평가하기 위해 양자 정보 원리를 적용하기.
• 시간이 지남에 따라 낙하 입자와 블랙홀 시공간 사이의 얽힘이 증가하는 것을 분석하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 양자 한계에서의 블랙홀 증발은 블랙홀의 최대 계산 용량과 어떻게 관련이 있는가?
• RQ2 EM = 일정 조건은 자유 낙하 입자와 증발 과정의 공진화를 기술하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 증발 기간 동안 입자가 블랙홀 시공간과 얼마나 깊이 얽히는가?
• RQ4 양자 한계 하에서 태양질량 블랙홀의 한 광자 방출당 도달 가능한 큐비트 연산 수는 얼마인가?
• RQ5 호킹 복사의 이산적 성격은 블랙홀 증발의 양자 계산 모델에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 호킹 복사의 느린 속도로 인해 블랙홀 증발은 이산적인 양자 단계를 거친다.
• 증발 과정은 계산 가능성을 극한으로 한계에 둔 극한 양자 상태와 동일시된다.
• 태양질량 블랙홀은 한 광자 방출당 약 2.7 × 10^79 비트 연산을 수행한다.
• 자유 낙하 입자는 EM = 일정 조건을 유지하면서 블랙홀과 함께 공진화한다.
• 증발 과정 전반에 걸쳐 입자와 블랙홀 시공간 사이의 얽힘이 점차 증가한다.