[论文解读] 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 4

一句话总结

本文提出黑洞蒸发以离散的量子步骤进行，将霍金辐射与极限量子计算联系起来。研究表明，在蒸发过程中，自由下落粒子与黑洞共同演化，同时保持 EM = 常数，与时空的纠缠程度逐渐增加，对于质量为一个太阳质量的黑洞，每发射一个光子，最多可实现 2.7 × 10^79 个量子比特操作。

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.

研究动机与目标

• 探索黑洞蒸发与量子计算极限之间的联系。
• 在量子约束下，建立自由下落粒子与蒸发黑洞共同演化的模型。
• 研究下落粒子与黑洞时空之间纠缠在蒸发过程中的作用。
• 量化在量子极限下，黑洞在光子发射过程中的计算容量。

提出的方法

• 将黑洞蒸发建模为由霍金辐射驱动的离散量子步骤。
• 将蒸发过程与计算可行性阈值处的极值量子态相联系。
• 应用条件 EM = 常数，其中 E 为粒子在无穷远处的总能量，M 为黑洞质量，以描述共同演化。
• 运用量子信息原理，评估每个光子发射的量子比特操作数量。
• 分析下落粒子与黑洞时空之间纠缠随时间的增加过程。

实验结果

研究问题

• RQ1 在量子极限下，黑洞蒸发如何与黑洞的最大计算容量相关联？
• RQ2 EM = 常数条件在描述自由下落粒子与蒸发过程共同演化中起什么作用？
• RQ3 在蒸发过程中，粒子与黑洞时空的纠缠程度在多大程度上增加？
• RQ4 在量子极限下，一个太阳质量的黑洞每发射一个光子可实现多少次量子比特操作？
• RQ5 霍金辐射的离散性如何影响黑洞蒸发的量子计算模型？

主要发现

• 由于霍金辐射速率较慢，黑洞蒸发以离散的量子步骤进行。
• 蒸发过程被识别为计算可行性极限处的极值量子态。
• 一个太阳质量的黑洞每发射一个光子，可执行约 2.7 × 10^79 次比特操作。
• 自由下落粒子与黑洞共同演化，同时保持 EM = 常数条件。
• 在蒸发过程中，粒子与黑洞时空之间的纠缠程度持续增加。