Физики создают математическую «площадку» для изучения квантовой теории информации
В новом исследовании Сколтеха и Университета Кентукки свидетельствует о растущей роли квантовой теории информации в различных областях физики.
Статья опубликована в журнале Physical Review Letters.
Квантовая информация играет все более важную роль как организующий принцип, соединяющий различные разделы физики. В частности, теория квантовой коррекции ошибок, которая описывает, как защищать и восстанавливать информацию в квантовых компьютерах и других сложных взаимодействующих системах, стала одним из строительных блоков современного понимания квантовой гравитации.
«Обычно информация, хранящаяся в физических системах, локализована. Скажем, компьютерный файл занимает определенную небольшую область жесткого диска. Под «ошибкой» мы подразумеваем любое непредвиденное или нежелательное взаимодействие, при котором информация зашифровывается на большой площади. В нашем примере фрагменты компьютерного файла будут разбросаны по разным областям жесткого диска. Коды исправления ошибок — это математические протоколы, которые позволяют собирать эти части вместе для восстановления исходной информации. Они активно используются в системах хранения данных и связи. Коды с квантовой коррекцией ошибок играют аналогичную роль в тех случаях, когда важна квантовая природа физической системы», — поясняет Анатолий Дымарский, доцент Центра энергетических наук и технологий (CEST) Сколтеха.
Не так давно ученые осознали, что квантовая гравитация — теория, описывающая квантовую динамику пространства и времени — использует аналогичные математические протоколы для обмена информацией между различными частями пространства.
«Локальность информации в квантовой гравитации остается одной из немногих открытых фундаментальных проблем теоретической физики. Поэтому интригует появление хорошо изученных математических структур, таких как коды квантовой коррекции ошибок», — отмечает Дымарский.
Однако роль кодов была понята только схематично, а явный механизм, лежащий в основе локальности информации, остается неуловимым.
В своей новой статье он и его коллега Альфред Шейпере из Университета Кентукки, факультет физики и астрономии, устанавливают новую связь между квантовыми кодами исправления ошибок и двумерными конформными теориями поля. Последние описывают взаимодействия квантовых частиц и стали стандартными теоретическими инструментами для описания множества различных явлений, от элементарных элементарных частиц до квазичастиц, возникающих в квантовых материалах, таких как графен. Некоторые из этих конформных теорий поля также описывают квантовую гравитацию через голографическое соответствие.
«Теперь у нас есть новая площадка для изучения роли кодов квантовой коррекции ошибок в контексте квантовой теории поля. Мы надеемся, что это первый шаг к пониманию того, как на самом деле работает локальность информации и что скрывается за всей этой красивой математикой», — заключает Дымарский.