Новые правила физики тестируются на квантовом компьютере

Исследователи из Аалто использовали квантовый компьютер IBM для изучения неизвестной области физики и бросили вызов 100-летним представлениям об информации на квантовом уровне.

Правила квантовой физики, которые управляют поведением очень малых объектов, используют математические операторы, называемые эрмитовыми гамильтонианами. Эрмитовы операторы лежали в основе квантовой физики почти 100 лет, но недавно теоретики поняли, что можно распространить ее фундаментальные уравнения на использование операторов, которые не являются эрмитовыми.

Новые уравнения описывают вселенную с ее собственным своеобразным набором правил: например, глядя в зеркало и меняя направление времени, вы должны увидеть ту же версию себя, что и в реальном мире.

В своей новой работе группа исследователей использовала квантовый компьютер для создания искусственной вселенной, которая ведет себя в соответствии с этими новыми правилами.

Ученые заставили кубиты, часть квантового компьютера, которая выполняет вычисления, вести себя в соответствии с новыми правилами неэрмитовой квантовой механики. Они экспериментально продемонстрировали пару захватывающих результатов, которые запрещены обычной эрмитовой квантовой механикой.

Первое открытие состояло в том, что применение операций к кубитам не сохраняло квантовую информацию — поведение, столь фундаментальное для стандартной квантовой теории, что оно приводит к нерешенным в настоящее время проблемам, таким как информационный парадокс черной дыры Стивена Хокинга. Второй захватывающий результат был получен, когда они экспериментировали с двумя запутанными кубитами.

Запутанность — это тип корреляции, которая возникает между кубитами, как будто они имеют магическую связь, которая заставляет их вести себя синхронно друг с другом. Эйнштейн, как известно, испытывал дискомфорт от этой концепции, называя ее «жутким действием на расстоянии».

В рамках обычной квантовой физики невозможно изменить степень запутанности между двумя частицами, воздействуя на одну из частиц самостоятельно. Однако в неэрмитовой квантовой механике исследователи смогли изменить уровень запутанности кубитов, манипулируя только одним из них, что явно запрещено в обычной квантовой физике.

«Самое захватывающее в этих результатах то, что квантовые компьютеры теперь достаточно развиты, чтобы начать использовать их для тестирования нетрадиционных идей, которые до сих пор были только математическими», — сказал автор работы Сорин Параоану. «С настоящей работой » жуткое действие Эйнштейна на расстоянии» становится еще более жутким. И хотя мы очень хорошо понимаем, что происходит, это все равно вызывает у нас дрожь.»

Это исследование также имеет потенциальное применение. Несколько новых оптических или микроволновых устройств, разработанных в последнее время, похоже, ведут себя в соответствии с новыми правилами. Настоящая работа открывает путь к моделированию этих устройств на квантовых компьютерах.