Исследователи Массачусетского технологического института используют квантовые вычисления для наблюдения за запутанностью

Предыдущее изображение Следующее изображение

Впервые исследователи из Массачусетского технологического института, Калифорнийского технологического института, Гарвардского университета и других стран отправили квантовую информацию через квантовую систему, что можно было бы понимать как перемещение через червоточину. Хотя этот эксперимент не привел к нарушению физического пространства и времени в том смысле, в котором мы можем понимать термин «червоточина» из научной фантастики, расчеты эксперимента показали, что кубиты перемещались из одной системы запутанных частиц в другую в модели гравитации. . Этот эксперимент, проведенный на квантовом процессоре Sycamore в Google, открывает двери для будущих экспериментов с квантовыми компьютерами для исследования идей теории струн и гравитационной физики.

«Моделирование сильно взаимодействующих квантовых систем, таких как те, которые возникают в квантовой гравитации, является одним из самых интересных применений квантовых компьютеров», — говорит Дэниел Харлоу, доцент кафедры физики Джерролда Р. Захариаса и исследователь Массачусетского технологического института. Лаборатория ядерных наук (LNS), работающая с Дэвидом Колчемейером, одним из ведущих авторов работы. «Это многообещающий первый шаг».

В новой статье в журнале Nature группа физиков, в том числе Центр теоретической физики Массачусетского технологического института (CTP) и исследователи LNS Колхмейер и Александр Злокапа, представляют результаты о паре квантовых систем, которые ведут себя аналогично проходимой червоточине.

Червоточина — это мост между двумя удаленными областями пространства-времени. В классической общей теории относительности ничто не может пройти через червоточину. В 2019 году Дэниел Джафферис из Гарвардского университета и его коллеги предположили, что червоточину можно пройти, если она создана запутанными черными дырами. Кольхмейер, постдок, работающий с исследователями CTP и LNS Харлоу и доцентом Неттой Энгельхардт, консультировался у Джафферис для написания докторской диссертации.

«Эти физики открыли квантовый механизм, позволяющий пройти через червоточину, введя прямое взаимодействие между удаленными областями пространства-времени, используя простую квантовую динамическую систему фермионов», — говорит Колхмейер. «В нашей работе мы также использовали эти запутанные квантовые системы для создания такого рода «телепортации через червоточину» с помощью квантовых вычислений и смогли подтвердить результаты с помощью классических компьютеров».

Профессор Калифорнийского технологического института Мария Спиропулу и Джафферис являются старшими авторами нового исследования, которое появилось 1 декабря в журнале Nature. Ведущими авторами являются Колхмейер и Злокапа из Массачусетского технологического института, а также Джозеф Д. Ликкен из Квантового института Фермилаб и отдела теоретической физики и Хартмут Невен из Google Quantum AI. Среди других исследователей Калифорнийского технологического института и Альянса квантовых технологий (AQT), участвовавших в этой статье, — Саманта И. Дэвис и Николай Лаук.

Жуткое действие на расстоянии

В этом эксперименте исследователи отправили сигнал «через червоточину», телепортировав квантовое состояние из одной квантовой системы в другую с помощью 53-кубитного квантового процессора Sycamore. Для этого исследовательской группе нужно было определить запутанные квантовые системы, которые вели себя со свойствами, предсказанными квантовой гравитацией, но при этом были достаточно маленькими, чтобы их можно было использовать на современных квантовых компьютерах.

«Главной задачей этой работы было найти достаточно простую квантовую систему многих тел, сохраняющую гравитационные свойства», — говорит Злокапа, аспирант второго курса физики Массачусетского технологического института, который начал это исследование еще будучи студентом в лаборатории Спиропулу.

Чтобы добиться этого, команда использовала методы машинного обучения, взяв высоковзаимодействующие квантовые системы и постепенно уменьшая их связность. Результатом этого процесса обучения стало множество примеров систем, поведение которых соответствует квантовой гравитации, но для каждого экземпляра требовалось всего около 10 кубитов — идеальный размер для процессора Sycamore.

«Требуемые сложные квантовые схемы сделали бы невозможным запуск более крупных систем с сотнями кубитов на доступных сегодня квантовых платформах, поэтому было важно найти такие небольшие примеры», — говорит Злокапа.