Создан протокол для исследования запутанности через дуальность пространства-времени

В последние годы были достигнуты значительные успехи в разработке цифровых квантовых компьютеров и симуляторов. Эти новые физические системы открывают беспрецедентные возможности для управления и измерения различных квантовых динамик. В результате некоторые фундаментальные вопросы физики многих тел, которые ранее считались бы умозрительными и выходящими за рамки экспериментальных исследований, теперь могут быть исследованы в лабораторных условиях.

Ученые из Стэнфордского университета недавно провели исследование, изучающее роль квантовых измерений в динамике многих тел.

В своей статье, опубликованной в Physical Review Letters, они специально представили протокол, который может быть использован для реализации динамики, включающей квантовые измерения в квантовых компьютерах и квантовых симуляторах, избегая при этом процедурного шага, известного как постселекция.

«Измерения занимают особое место в квантовой физике: они заставляют систему внезапно «коллапсировать» на один из нескольких возможных результатов измерений, выбранных случайным образом», — сказали Маттео Ипполити и Ведика Хемани, два физика, проводившие это исследование.

«Например, представьте себе кота Шредингера в «суперпозиции» в коробке — как только коробка открывается, состояние кота коллапсирует либо в живое, либо в мертвое. Напротив, квантовые системы, которые «оставлены в покое», развиваются детерминированным образом, также известным как «унитарная» динамика.»

За последние несколько лет, отчасти мотивированные недавним прогрессом в разработке квантовых вычислительных устройств, многие исследователи начали изучать взаимодействие между квантовыми измерениями и унитарной динамикой многих тел. Интересно, что они предсказали, что состояния, создаваемые этими устройствами, будут демонстрировать разнообразный набор новых явлений. Впоследствии эти наблюдения стали предметом многочисленных теоретических исследований.

«С экспериментальной точки зрения случайность квантовых измерений представляет собой большую проблему: для того, чтобы надежно создать одно и то же состояние (необходимое для измерения его свойств или использования в приложениях), нужно снова и снова воспроизводить одну и ту же случайную последовательность результатов измерений», — объяснили Ипполити и Хемани. «Это экспоненциально редкое явление, как бросание монеты много раз и получение прямой последовательности, и это не техническое ограничение, а скорее следствие основных правил квантовой механики. Это проблема «постселекции».»

Чтобы измерить запутанность в неунитарной динамике, исследователям пришлось бы многократно повторять эксперимент, чтобы удовлетворить это требование «постселекции», которое было бы непомерно трудным.

Основная цель исследования, проведенного учеными, состояла в разработке стратегии, позволяющей экспериментально реализовать эту динамику без необходимости постселекции. Они предположили, что это может быть достигнуто путем обмена ролями пространства и времени, используя идею, известную как дуальность пространства-времени.

«Проще говоря, представьте себе, что в вашей лаборатории есть набор квантовых битов (кубитов), расположенных на линии, в позициях один, два и т. д. Их можно заставить взаимодействовать со своими соседями и таким образом эволюционировать во времени, описывая квантовые вычисления.

-Теперь представьте себе «виртуальную» систему, которая существует во временном направлении лаборатории и эволюционирует в пространственном направлении — переход от кубита один к кубиту два в лаборатории означает эволюцию этой виртуальной системы в течение одной единицы времени и т. д.»

«Виртуальная эволюция» исследуемой физиками системы оказалась неунитарной, что, по сути, означает, что она включает в себя некоторые измерительные элементы. Эти элементы, однако, полностью детерминированы и могут быть надежно и многократно воспроизведены. Эта важнейшая характеристика позволила им воплотить свою идею в протокол для реализации и изучения динамики запутывания в квантовых симуляторах.

«Идеи, лежащие в основе нашего исследования, могут показаться довольно абстрактными, но мы переводим их в конкретный протокол, который может быть выполнен на современных цифровых квантовых симуляторах», — сказали Ипполити и Хемани. «Это создает прямой путь к экспериментальному изучению этих новых типов квантовой динамики, включающих измерения, а также приближает некоторые захватывающие теоретические идеи к осуществлению.»

В будущем протокол может открыть новые возможности для изучения динамики запутывания в квантовых системах. Кроме того, работа могла бы послужить основой для разработки новых стратегий защиты информации, хранящейся в существующих и вновь разрабатываемых квантовых устройствах.

Идея «пространственно-временной двойственности», введенная этими исследователями, также может быть использована для изучения многочисленных физических явлений и динамики, связанных с квантовыми системами.

«В настоящее время мы изучаем виды интересных состояний, которые могут быть получены таким образом, и как они могут быть связаны с фазами квантовой материи, которые мы знаем», — добавили Ипполити и Хемани. «В более общем плане наши исследования будут основываться на этой новой эре квантовых вычислений и моделирования с двумя целями: с одной стороны, открытие новых фундаментальных явлений, ставших возможными благодаря технологическому прогрессу; с другой стороны, поиск новых фундаментальных идей, которые могут оказать влияние на сами технологии, особенно на новые способы хранения и манипулирования квантовой информацией, основанной на динамике.»