|
Запутанное квантовое состояние не существует в шуме
|
|
|
|
Более 20 лет исследователи квантовой физики задавались вопросом, может ли квантовая система иметь максимальную запутанность в присутствии шума. Недавно математик из Испании ответил на этот вопрос: нет.
|
|
|
|
Идея квантовой запутанности возникла в ходе дебатов между Нильсом Бором и Альбертом Эйнштейном; Эйнштейну это понятие не понравилось, и он насмешливо назвал его "жутким действием на расстоянии". Квантовые физики десятилетиями ломали голову над этой концепцией, и она была усовершенствована в фундаментальный принцип, известный как неравенства Белла, который разграничил классическую и квантовую области.
|
|
|
|
Запутанность возникает, когда объекты в системе, какими бы они ни были, не могут быть описаны независимо друг от друга. Они каким—то образом связаны, но ученые не смогли этого объяснить - или, скорее, понять, поскольку нам, классическим существам, которые мыслят классическим, а не квантовым образом, это кажется таким неинтуитивным.
|
|
|
|
Ученые-квантовики используют феномен запутанности для создания и совершенствования таких технологий, как квантовые компьютеры, квантовое шифрование, квантовые датчики и квантовая телепортация, и хотят идти дальше.
|
|
|
Многие ученые-квантовики считают, что квантовым компьютерам потребуются частицы или молекулы, находящиеся в запутанном состоянии. Такие состояния существуют только в квантовой механике. Рассмотрим систему из двух запутанных электронов, суммарный спин которых равен нулю. Измерьте спин одной из частиц, и, каким бы он ни был, у запутанного партнера, по-видимому, сразу же будет противоположный спин, независимо от расстояния.
|
|
|
|
Однако, как ни странно, между двумя частицами не передавалось никакой информации. Запутанность была продемонстрирована для системы, элементы которой находятся на расстоянии более 1000 км друг от друга.
|
|
|
|
Кубит - это квантовый бит, в котором состояние (в данном случае электрон) может существовать в нескольких состояниях одновременно; говорят, что электрон находится в квантовой суперпозиции. Как указано выше, до измерения каждый электрон является кубитом, представляющим собой суперпозицию состояний со спином вверх и спином вниз. Максимально запутанное квантовое состояние двух кубитов называется состоянием Белла; кубиты демонстрируют идеальную корреляцию, которую невозможно объяснить без помощи квантовой механики.
|
|
|
|
В последние десятилетия ученые и инженеры стали рассматривать запутанность как ресурс, позволяющий решать в квантовых технологиях задачи, которые невозможны в классических системах. При использовании квантовой запутанности исследователи хотели бы достичь максимально запутанного состояния, при котором частицы, свет или молекулы имеют максимально запутанные связи друг с другом в реальном мире — частицы коррелируют таким образом, который невозможен в классическом мире, и все возможные измерения запутанной системы могут быть сопоставлены. исполнено. Это обеспечило бы наиболее полезную форму запутывания и стало бы золотым стандартом в приложениях.
|
|
|
|
В отсутствие какого—либо шума — любого нарушения запутанного состояния, такого как тепловые колебания, механические вибрации, колебания напряжения источника питания и т.д. - теоретики квантовой информации знают, что существует максимально запутанное состояние, которое не зависит от измерений.
|
|
|
|
Но в реальном мире неизбежные помехи стучатся в двери повсюду, в том числе и в запутанные состояния. Может ли существовать максимально запутанное состояние? Действительно, этот вопрос занимает 5-е место в списке открытых квантовых проблем, опубликованном Институтом квантовой оптики и квантовой информации в Вене.
|
|
|
|
Хулио И. де Висенте (Julio I. de Vicente) из Мадридского университета имени Карлоса III (Universidad Carlos III de Madrid) ответил на этот вопрос отрицательно — при наличии шума невозможно одновременно максимизировать все типы запутанности системы. Его работа опубликована в Physical Review Letters.
|
|
|
|
"Наилучшее состояние, которое можно подготовить, зависит от выбора квантификатора запутанности, как только мы отойдем от идеализированного сценария даже при малейшей форме шума", - сказал де Висенте Phys.org. "Таким образом, в зашумленном режиме не существует универсального понятия максимальной запутанности, и наилучшее состояние, которое можно подготовить, зависит от задачи".
|
|
|
|
"Квантификатор запутанности" присваивает число степени запутанности. "Задача" в данном контексте - это цель, для которой используется запутанное состояние.
|
|
|
|
Важно понимать, что результат Висенте применим только к зашумленным, максимально запутанным состояниям с фиксированным спектром. Два квантовых состояния имеют одинаковый спектр, если в их основе лежит одинаковое количество шума. Результаты де Висенте неприменимы к случаю, когда нам разрешено изменять спектр (то есть увеличивать или уменьшать шум) между двумя квантовыми состояниями.
|
|
|
|
Одним из важных количественных показателей запутанности является энтропия запутанности; как и в термодинамике, она является мерой степени беспорядка в системе. Состояния Белла обладают высокой энтропией, а двухкубитные зашумленные состояния, как известно, максимизируют другие квантификаторы запутанности. Существовало твердое убеждение, что они должны максимизировать все возможные квантификаторы, что теперь оказывается неверным.
|
|
|
|
Намит Ананд, штатный научный сотрудник KBR и лаборатории квантового искусственного интеллекта НАСА имени Эймса (QuAIL), говорит: "Это стало неожиданностью, поскольку было известно, что существуют классы зашумленных состояний с двумя кубитами, которые, по-видимому, похожи на обобщение состояния Белла". Но доказательство де Висенте, помимо прочего, подразумевает, что эквивалент состояния Белла не существует в присутствии шума.
|
|
|
|
"Это напоминает нам о том, что история не так проста, как кажется", - сказал Ананд. - И, возможно, как это часто бывает в фундаментальных исследованиях, когда открытая проблема решена, у нас остается больше вопросов, чем ответов".
|
|
|
|
Источник
|
