Квантовая теория сталкивается с «культурными пробелами», поскольку вычислительные ограничения меняют понимание запутанности

Квантовые исследователи XXI века являются частью международной сети, которая требует активного взаимодействия и общения. Ежедневно выходит около ста публикаций по этой теме, часто авторами, работающими в тесном сотрудничестве друг с другом. Новые разработки и открытия быстро внедряются в эту область, обычно в течение нескольких недель. Исследователи немедленно приступили к развитию этих результатов с помощью инновационных идей. Именно так выглядит повседневная жизнь в области квантовой теории в период празднования столетнего юбилея первоначального развития квантовой механики.

В честь этого события ЮНЕСКО объявила 2025 год Международным годом квантовой науки и технологий. Одно из последних открытий этого особенного года было сделано международной исследовательской группой под руководством квантового физика Йенса Эйсерта, профессора Свободного университета Берлина. Удивительные открытия группы внесли значительный вклад в понимание учёными квантовая запутанность.

Их исследование»Теория запутанности с ограниченными вычислительными ресурсами», была недавно опубликована в журнале Физика природы. В статье показано, что на практике сложившийся метод измерения корреляций в квантовой механике может работать не совсем так, как предполагалось ранее.

В 1920-х годах физики заложили основу квантовой механики, которая с тех пор стала фундаментальной теорией физики. Квантовая теория стремится объяснить поведение материи и света в наименьшем масштабе, например, атомов и фотонов. В отличие от классическая физикаэти частицы могут существовать одновременно в разных состояниях и «запутываться» друг с другом на огромных расстояниях. Теория запутанности является центральным аспектом квантовая механика и проложил путь для многих современных технологических достижений, таких как компьютерные чипы, лазеры и квантовые компьютеры. Он также сыграл важную роль в развитии безопасной связи и понимании квантовых материалов.

До недавнего времени среди ученых было распространено предположение, что запутанными квантовыми состояниями можно сохранять и эффективно манипулировать в лабораторных условиях, выполняя при этом совершенно общие квантовые операции без каких-либо других ограничений, кроме локальности. Однако недавние исследования показывают, что практическое применение квантовой запутанности, особенно в квантовых вычислениях, более ограничено, чем считалось ранее. Это можно объяснить вычислительными ограничениями, даже когда условия идеальны.

«Долгое время наше понимание запутанности строилось на идеализированных предположениях», — говорит Эйсерт. «Наша работа теперь показывает, что фундаментальные расхождения возникают в ключевых измерениях квантовых вычислений, когда они выполняются в реалистичных, то есть эффективных, условиях».

Осознание этого привело команду исследователей к введению двух ключевых показателей квантовой физики: вычислительной дистиллируемой запутанности и вычислительной стоимости запутанности. Эти две цифры количественно определяют скорость запутанности квантовых состояний в форме запутанных битов (эбитов) в определенных ограниченных условиях.

Исследование может фундаментально изменить понимание учеными того, как обрабатывается квантовая информация, и подчеркивает важность учета вычислительных ресурсов при выполнении этих задач. Кроме того, он представляет собой потенциально новое решение текущих проблем, связанных с эффективностью квантовых вычислений, помимо простых аппаратных проблем. Этот подход создает новую связь между теоретической информатикой, которая занимается сложностью и трудностью вычислительных операций, и физикой, которая пытается понять природу.

Эйсерт также отмечает, что их результаты указывают на определенное противоречие в квантовая теория это до сих пор оставалось незамеченным. «Похоже, что две важные области исследований недостаточно общались друг с другом, а именно: запутанность эксперты по теории и эксперты по квантовым алгоритмам», — говорит он.

Именно такого рода обмен лежит в основе их нынешней работы, которая подчеркивает, что захватывающие исследовательские вопросы часто возникают в этих точках соприкосновения между областями, или, как выразился Эйзерт, «в «культурных разрывах» или вдоль тектонических линий разлома устоявшихся знаний. Квантовая теория здесь не является исключением».