Математический «полигон» поможет физикам исследовать квантовую информацию

Математический «полигон» поможет физикам исследовать квантовую информацию

Ученые Сколтеха и Университета Кентукки провели исследование, в котором установили новую связь между квантовой информацией и квантовой теорией поля. Эта работа – очередное подтверждение растущей роли квантовой информации в различных областях физики.

Результаты исследования представлены в статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters. Квантовая информация играет все более важную роль в качестве организующего принципа, объединяющего различные области физики. Так, одна из составляющих сегодняшнего представления о квантовой гравитации — теория квантовой коррекции ошибок, описывающая способы защиты и восстановления информации в квантовых компьютерах и других сложных взаимодействующих системах.

«Обычно информация, хранящаяся в физических системах, локализована. Например, компьютерный файл занимает определенную небольшую область жесткого диска. Любое непредвиденное или нежелательное взаимодействие, в результате которого информация записывается на более обширной области диска, мы называем “ошибкой”. В нашем это будет фрагменты компьютерного файла, которые будут разбросаны по разным частям жесткого диска.

Для того чтобы собрать эти фрагменты воедино и восстановить исходную информацию, используются специальные математические протоколы − так называемые коды исправления ошибок, которые широко используются в системах хранения и передачи данных. В тех случаях, когда важна квантовая природа физической системы, аналогичную функцию восстановления информации выполняют квантовые коды исправления ошибок», − рассказывает доцент Сколковского Института Науки и Технологий Анатолий Дымарский.

Ученые недавно установили, что в квантовой гравитации, описывающей динамику квантового пространства и времени, для обмена информацией между различными частями пространства используются аналогичные математические протоколы. «Локальность информации в квантовой гравитации до сих пор остается одной из немногих нерешенных фундаментальных проблем теоретической физики.

Именно поэтому большой интерес вызывает факт появления хорошо изученных математических структур, таких как квантовые коды исправления ошибок», − отмечает Анатолий Дымарский. Пока ученые смогли лишь получить схематическое представление о роли кодов, но детально разобраться в том, какой механизм лежит в основе локальности информации, пока не удалось.

В своей новой статье Анатолий Дымарский и его коллега, сотрудник факультета физики и астрономии Университета Кентукки Альфред Шапир, впервые установили наличие связи между квантовыми кодами исправления ошибок и двумерными конформными теориями поля.

Последние описывают взаимодействия между квантовыми частицами и уже используются в качестве общепринятого средства для теоретического описания целого ряда явлений − от фундаментальных элементарных частиц до квазичастиц, присутствующих в таких материалах, как графен. Некоторые из таких конформных теорий поля также описывают квантовую гравитацию в рамках голографического соответствия.

«Теперь у нас появилась новый “полигон”, новое поле для исследования роли квантовых кодов исправления ошибок в рамках квантовой теории поля и соответственно квантовой гравитации. Мы надеемся, что это первый шаг на пути к пониманию того, какой механизм лежит в основе локальности информации и что скрывается за всей этой красивой математикой», − отмечает в заключение Дымарский.

Источник