Наука и технологии

Квантовая телепортация сымитировала получение информации из черной дыры

 

image
E. Edwards / Joint Quantum Institute

Физики разработали и экспериментально продемонстрировали новый протокол проверки квантового перемешивания информации. Помимо применения в области квантовых технологий, данная работа имеет и теоретическое значение, так как позволяет изучать реализуемое черной дырой перемешивание информации.

Статья с результатами опубликована в журнале Nature.

Квантовое перемешивание (quantum scrambling) — это процесс рассредоточения информации по сложной квантовой системе вследствие взаимодействия ее частей. В общем случае в результате этого возникают корреляции между удаленными объектами, которые в квантовой механике называется запутыванием. В таком случае информацию нельзя извлечь из отдельной части системы, так как она распределена и содержится не только в ней. Таким образом, если мы будем следить только за локальным участком, то придем к выводу, что изначальная информация оказалась потеряна. Этот эффект тесно связан со стремлением взаимодействующих объектов к термическому равновесию, то есть наименее упорядоченному состоянию, характеризующемуся максимальной энтропией.

Самостоятельный интерес в физике квантовых систем представляет задача изучения подобного перемешивания и отделения его от настоящей потери информации. Обычно для этого используют многочисленные измерения различных частей системы в разное время, которые позволяют вычислить корреляционную функцию OTOC (out-of-time-ordered correlation function). В идеальных условиях применение данной схемы ко всем парам подсистем позволяет выявить информационное перемешивание. Однако шумы и другие источники отклонений препятствуют получению полезных данных при повторных измерениях.

В работе американо-канадского коллектива физиков под руководством сотрудников Объединенного квантового института при Мэрилендском университете предлагается способ проверки корректности измерения информационного перемешивания. Их метод состоит в работе с двумя копиями взаимодействующей системы кубитов, в каждой из которых изначально все кроме одного элементы находятся в состоянии запутанности с соответствующим кубитом из другой системы. Оставшийся кубит первой системы называется «входом», на него записывается некая квантовая информация, а последний кубит второй системы запутан с дополнительным отдельным кубитом, называемым «мишенью», который вначале находится в основном энергетическом состоянии.

Схема эксперимента. Слева направо показана временная эволюция, верхние три кружка соответствуют кубитам первой системы, нижние три — второй. Голубым цветом показана квантовая запутанность. В результате взаимодействия квантовое состояние верхнего кубида передается нижнему.

Если после начала взаимодействия всех кубитов квантовое состояние «входа» окажется телепортировано на «мишень», то это означает, что информация успешно перемешалась по всем элементам системы. В экспериментах авторов в качестве кубитов использовались холодные ионы в оптических ловушках, а каждая система состояла из трех элементов, то есть всего в опыте было семь кубитов. Ученым удалось добиться вероятности совпадения квантовых состояний после телепортации в 80 процентах, что означает, что около половины информации перемешалось, а половина потерялась из-за необратимой декогеренции системы.

Изначальным толчком для разработки данного протокола были исследования по физике черных дыр, так как они могут быть обеспечивать очень эффективное квантовое перемешивание всей попавшей информации. С первого взгляда кажется, что информация об упавшем в черную дыру теле оказывается недоступна извне, а после испарения из-за излучения Хокинга она безвозвратно исчезает. Эту ситуацию называют информационным парадоксом черных дыр, хотя насчет не только его возможного решения, но и даже существования продолжаются дебаты в научной среде.

Согласно одному из подходов, попавшую в черную дыру информацию можно восстановить путем наблюдения квантовых корреляций в излучении Хокинга, а описанный в новой работе экспериментальный протокол как раз соответствует этому теоретическому сценарию. В таком случае «вход» соответствует упавшей в черную дыру информации, первая система — самой черной дыре, а «мишень» — излучению Хокинга. Таким образом, забросив в черную дыру запутанный кубит возможно получить информацию из-под горизонта событий. Тем не менее, эта аналогия опирается на ряд упрощений. В частности, черная дыра в этой модели является очень хорошим перемешивателем, что для реальных объектов может оказаться неверным.

Подробнее о судьбе информации при падении в черную дыру мы подробно говорили с физиком-теоретиком Эмилем Ахмедовым, одним из сторонников точки зрения, что никакого парадокса в этой ситуации вовсе не наблюдается.

Тимур Кешелава

Источник

Реклама

Добавить комментарий

Заполните поля или щелкните по значку, чтобы оставить свой комментарий:

Логотип WordPress.com

Для комментария используется ваша учётная запись WordPress.com. Выход /  Изменить )

Google photo

Для комментария используется ваша учётная запись Google. Выход /  Изменить )

Фотография Twitter

Для комментария используется ваша учётная запись Twitter. Выход /  Изменить )

Фотография Facebook

Для комментария используется ваша учётная запись Facebook. Выход /  Изменить )

Connecting to %s