Команда, возглавляемая физиками из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (Berkeley Lab) и Калифорнийского университета в Беркли, успешно наблюдала шифрование квантовой информации, которое, как считается, лежит в основе поведения черных дыр, с помощью квутритов: квантовых единиц, хранящих информацию, которые могут принимать три отдельных состояния в один промежуток времени. Их усилия также открывают путь к созданию процессора, основанного на кутритах.
Новое исследование, недавно опубликованное в журнале Physical Review X, использует квантовую схему, вдохновленную давним вопросом физики: что происходит с информацией, когда она попадает в черную дыру? Помимо связи с космологией и фундаментальной физикой, технические этапы команды, которые сделали эксперимент возможным, представляют собой важный прогресс изучения вариантов использования более сложных квантовых процессоров для вычислений, криптографии и обнаружения ошибок.
В то время как черные дыры считаются одной из самых разрушительных сил во Вселенной — материя и свет не могут избежать их притяжения — ведутся серьезные споры о том, теряется ли информация после перехода в черную дыру, и каким образом. Покойный физик Стивен Хокинг показал, что черные дыры испускают излучение — теперь известное как излучение Хокинга — когда они медленно испаряются с течением времени. В принципе, это излучение может нести информацию о том, что находится внутри черной дыры, даже позволяя реконструировать информацию, которая проходит в черную дыру. Используя квантовое свойство, известное как запутанность, можно выполнить эту реконструкцию значительно быстрее.
Квантовая запутанность противоречит правилам классической физики, позволяя частицам оставаться коррелированными, даже когда они разделены на большие расстояния, так что состояние одной частицы будет информировать вас о состоянии ее запутанного партнера. Например, если у вас были две запутанные монеты, зная, что одна монета выпала орлом, когда вы смотрели на нее, вы автоматически сказали бы, что другая запутанная монета, например, была решкой.
Большинство усилий в области квантовых вычислений направлено на использование этого явления путем кодирования информации в виде запутанных квантовых битов, известных как кубиты (произносится как CUE-биты). Как и традиционный компьютерный бит, который может содержать значение ноль или единицу, кубит также может быть нулем или единицей. Но, кроме того, кубит может существовать в суперпозиции, равной как единице, так и нулю одновременно. В случае с монетой это похоже на подбрасывание монеты, которое может представлять либо орел, либо решку, а также суперпозицию орла и решки одновременно.
Каждый кубит, который вы добавляете в квантовый компьютер, удваивает его вычислительную мощность. Когда вы используете квантовые биты, способные хранить больше значений, например qutrits (произносится CUE-trits) — мощность начинает расти экспоненциально. Из-за этого требуется гораздо меньше кубитов и еще меньше qutrits или qudits — которые описывают квантовые единицы с тремя или более состояниями — для выполнения сложных алгоритмов, способных продемонстрировать способность решать проблемы, которые не могут быть решены с помощью обычных компьютеров.
Тем не менее, существует ряд технических препятствий на пути создания квантовых компьютеров с большим количеством квантовых битов, которые могут надежно и эффективно решать проблемы действительно квантовым способом.
Команда намеревалась воспроизвести тип быстрого размывания квантовой информации или скремблирования в эксперименте, в котором в качестве кутритов использовались крошечные устройства, называемые нелинейными гармоническими осцилляторами. Эти нелинейные гармонические осцилляторы представляют собой гири на пружинах субмикронного размера, которые могут приводиться в действие на нескольких различных частотах при воздействии микроволновых импульсов.
Однако общая проблема в том, чтобы заставить эти осцилляторы работать как кутриты, заключается в том, что их квантовая природа имеет тенденцию очень быстро разрушаться с помощью механизма, называемого декогеренцией, поэтому трудно различить, является ли скремблирование информации действительно квантовым, или оно связано с этой декогеренцией или другие помехи.
Ключом к исследованию было сохранение когерентности или упорядоченного формирования сигнала, передаваемого осцилляторами, на достаточно долгое время, чтобы подтвердить, что квантовое скремблирование происходит посредством телепортации кутрита. Хотя телепортация может вызывать в воображении научно-фантастические образы, в этом случае происходит только передача информации — не материи — из одного места в другое посредством квантовой запутанности.
Один из пяти квутритов в эксперименте служил входом, а остальные четыре квутрита были запутанными парами. Из-за природы запутанности кутритов совместное измерение одной из пар кутритов после схемы скремблирования гарантировало, что состояние входного кутрита было телепортировано в другой кутрит.
Проще всего визуализировать эксперимент — это сравнить ее с черной дырой. Это как если бы была черная дыра и зеркальная версия этой черной дыры, так что информация, проходящая с одной стороны от зеркальной черной дыры, передается на другую сторону через запутанность.
