Расхищение запутанности — экзотическое явление в квантовой информатике, описывающее возможность извлечения запутанности из ресурсной системы без изменения её квантового состояния. В этом контексте ресурсные системы играют роль катализатора, обеспечивая переход состояния, который в противном случае был бы невозможен, без потребления в этом процессе. Чтобы расхищение запутанности было возможно, ресурсное состояние должно быть сильно запутанным.
Термин «универсальный расхититель» относится к идее бинарной квантовой системы, где каждое состояние достаточно запутано, чтобы сделать возможным расхищение. До сих пор казалось весьма сомнительным, что физические системы, демонстрирующие такие сильные свойства запутанности, могут вообще существовать.
Однако исследователи из Лейбницевского университета в Ганновере показали, что универсальное расхищение возникает во всех критических фермионных цепочках, то есть в одномерных фермионных системах при квантовых фазовых переходах. Их статья, опубликованная в Nature Physics, носит теоретический характер, но может открыть новые возможности для изучения физики многих тел и развития квантовых технологий.
Александр Штоттмайстер, соавтор статьи, рассказал Phys.org: «Недавно мы абстрактно показали, что феномен универсального расхищения проявляется в релятивистских квантовых полях. Однако после различных обсуждений коллеги, специализирующиеся на квантовой информации или физике многих тел, задались вопросом, не свидетельствует ли это скорее о том, что что-то не так в квантовой теории поля, и могут ли не релятивистские системы также демонстрировать это явление».
Исследователи задались вопросом, является ли универсальное расхищение в действительности распространённым явлением и, например, реализуется ли оно в более простых системах спиновых цепочек в физике многих тел.
Опираясь на свои предыдущие исследования, Штоттмайстер и его коллеги решили изучить возможность того, что критические спиновые цепочки всегда демонстрируют универсальное расхищение. В рамках своего недавнего исследования они продемонстрировали, что это возможно, и показали, что это свойство может естественным образом возникать в критических фермионных системах.
Лауритц ван Люйк, соавтор статьи, пояснил: «Хотя наша работа показывает, что критические спиновые цепочки могут расхищать запутанность, она не даёт рецепта, как это сделать. В текущей работе мы описываем явные протоколы, которые используют только определённый класс операций, называемых гауссовыми операциями, которые в принципе проще реализовать».
🔬🔬🔬
Исследователи начали своё изучение универсального расхищения, сосредоточившись на термодинамическом пределе. Это означает, что они работали непосредственно с бесконечными квантовыми системами (то есть предполагая, что системы имеют бесконечное число частиц или степеней свободы), а не рассматривали большие, но конечные системы.
«В статье мы показываем, что подсистемы, соответствующие левой и правой половинам цепочек в термодинамическом пределе, удовлетворяют набору критериев, которые, как мы показали в предыдущей работе, соответствуют универсальным расхищающим квантовым системам», — сказал ван Люйк. «Наконец, мы демонстрируем, что свойство универсального расхищения присуще не только термодинамическому пределу, но уже проявляется в больших, но конечных фермионных системах».
Недавняя теоретическая работа Штоттмайстера, ван Люйка и их коллеги Хенрика Вильминга предполагает, что универсальное квантовое расхищение может быть устойчивой характеристикой хорошо известных физических систем. В частности, она показывает, что критические свободные фермионные системы многих тел могут естественным образом действовать как расхитители.
«Мы показали, что все критические спиновые цепочки, описывающие критические точки квантовых фазовых переходов, которые являются трансляционно-инвариантными и могут быть эффективно описаны с помощью невзаимодействующих фермионов, демонстрируют феномен универсального расхищения», — сказал Вильминг, соавтор статьи. «Это включает в себя большой набор хорошо известных моделей и показывает, что эти модели обладают гораздо более сильными свойствами запутанности, чем было известно ранее».
Примечательно, что исследователи показали, что расхищение может сохраняться в приближённой форме в конечных системах. Таким образом, это не теоретическая конструкция, которая проявляется только в идеальных бесконечных моделях, но может также возникать в реальных и конечных квантовых системах. В своих следующих исследованиях они надеются дополнительно оценить обоснованность своей теории.