Квантовые исследователи XXI века являются частью международной сети, требующей активного взаимодействия и общения. Примерно сто публикаций по этой теме выпускаются каждый день, часто авторами, которые работают в тесном сотрудничестве друг с другом. Новые разработки и открытия быстро интегрируются в область, обычно в течение всего нескольких недель. Исследователи сразу же приступают к развитию этих идей с помощью инновационных подходов. Именно так выглядит повседневная жизнь в области квантовой теории, которая отмечает столетний юбилей с момента первоначального развития квантовой механики.
В честь этой вехи ЮНЕСКО объявила 2025 год Международным годом квантовой науки и технологий.
Одно из последних открытий в этом особом году сделано международной исследовательской группой под руководством квантового физика Йенса Эйзерта, профессора Свободного университета Берлина. Удивительные результаты группы внесли значительный вклад в понимание учёными квантовой запутанности.
Их исследование под названием «Теория запутанности с ограниченными вычислительными ресурсами» недавно было опубликовано в журнале Nature Physics. Статья показывает, что на практике установленный метод измерения корреляций в квантовой механике может функционировать не совсем так, как предполагалось ранее.
В 1920-х годах физики заложили основу квантовой механики, которая с тех пор стала фундаментальной теорией в физике.
Теория квантовой механики стремится объяснить поведение материи и света на микроскопическом уровне, например, на уровне атомов и фотонов. В отличие от классической физики, эти частицы могут существовать одновременно в разных состояниях и быть «запутаны» друг с другом на огромных расстояниях. Теория запутанности является центральным аспектом квантовой механики и проложила путь для многих современных технологических достижений, таких как компьютерные чипы, лазеры и квантовые компьютеры. Она также сыграла важную роль в развитии защищённой связи и понимания квантовых материалов.
До недавнего времени среди учёных было распространено мнение, что запутанные квантовые состояния можно эффективно сохранять и манипулировать ими в лабораторных условиях, выполняя при этом полностью общие квантовые операции без каких-либо 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 в идеальных условиях.
«Долгое время наше понимание запутанности строилось на идеализированных предположениях, — говорит Эйзерт. — Наша работа показывает, что фундаментальные расхождения возникают в ключевых измерениях квантовых вычислений, когда они выполняются в реалистичных, то есть эффективных, условиях».
Эта реализация привела команду исследователей к введению двух ключевых показателей в квантовой физике: вычислительная дистиллируемая запутанность и вычислительная стоимость запутанности. Эти два показателя количественно определяют скорость запутанности в квантовых состояниях в виде запутанных битов (ebits) в определённых ограниченных условиях.
Исследование может коренным образом изменить представление учёных о том, как обрабатывается квантовая информация, и подчёркивает важность учёта вычислительных ресурсов при выполнении этих задач. Кроме того, оно представляет потенциальное новое решение текущих проблем, связанных с эффективностью квантовых вычислений, — помимо аппаратных проблем. Этот подход устанавливает новую связь между теоретической информатикой, которая занимается сложностью и трудностью вычислительных операций, и физикой, которая пытается понять природу.
Эйзерт также отмечает, что их результаты указывают на определённое противоречие в квантовой теории, которое до сих пор оставалось незамеченным. «Кажется, что два важных направления исследований недостаточно общались друг с другом, а именно: эксперты по теории запутанности и эксперты по квантовым алгоритмам», — говорит он.
Именно такой обмен лежит в основе их текущей работы, которая подчёркивает, что захватывающие исследовательские вопросы часто возникают в точках соприкосновения между областями. Как выразился Эйзерт, «в «культурных разрывах» или вдоль тектонических разломов устоявшихся знаний. Квантовая теория здесь не является исключением».
Предоставлено: Свободный университет Берлина.
quantum entanglement.»,»Their study, \»Entanglement Theory with Limited Computational Resources,\» was recently published in the journal Nature Physics. The article shows that, in practice, the established method used to measure correlations in quantum mechanics might not function exactly as was previously assumed.»,»In the 1920s, physicists laid the groundwork for quantum mechanics, which has since become a fundamental theory in physics. Quantum theory aims to explain the behavior of matter and light at the smallest scale, such as that of atoms and photons. Unlike in classical physics, these particles can exist simultaneously in different states and can be \»entangled\» with one another over vast distances. Entanglement theory is a central aspect of quantum mechanics and has paved the way for many modern technological advances, like computer chips, lasers, and quantum computers. It has also been instrumental in the development of secure communication and the understanding of quantum materials.»,»Until recently, it was a common assumption among scientists that entangled quantum states could be preserved and manipulated effectively in laboratory settings while performing completely general quantum operations with no other constraints than locality. Recent research suggests, however, that the practical applications of quantum entanglement, particularly in quantum computing, are more limited than previously believed. This can be attributed to computational constraints, even when conditions are ideal.»,»\»For a long time our understanding of entanglement was built upon idealized assumptions,\» says Eisert. \»Our work now shows that fundamental discrepancies arise in key quantum computing measurements when they are performed under realistic, which is to say efficient, conditions.\»»,»This realization has led the team of researchers to introduce two key figures of merit in quantum physics: the computational distillable entanglement and the computational entanglement cost. These two figures quantify rates of entanglement in quantum states, in the form of entangled bits (ebits), within certain restricted conditions.»,»The study could fundamentally change scientists’ understanding of how quantum information is processed and emphasizes the importance of considering computational resources in performing these tasks. In addition, it presents a potential new solution for current problems surrounding efficiency in quantum computing—beyond just mere hardware issues. This approach forges a new link between theoretical computer science, which deals with the complexity and difficulty of computational operations, and physics, which attempts to understand nature.»,»Eisert also notes that their results point to a certain contradiction in quantum theory that has hitherto gone unnoticed. \»It seems that two important research fields did not communicate enough with one another, namely, entanglement theory experts and quantum algorithm experts,\» he says.»,»Precisely this kind of exchange is at the heart of their current work, which highlights that exciting research questions often emerge at these points of contact between fields, or as Eisert puts it, \»In the ‘cultural gaps’ or along the tectonic fault lines of established knowledge. Quantum theory is no exception here.\»»,»\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tFree University of Berlin\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t»,»\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Quantum Physics\n\t\t\t\t\t\t «]’>Источник