Квантовая телепортация сымитировала получение информации из черной дыры
Физики разработали и экспериментально продемонстрировали новый протокол проверки квантового перемешивания информации. Помимо применения в области квантовых технологий, данная работа имеет и теоретическое значение, так как позволяет изучать реализуемое черной дырой перемешивание информации. Статья с результатами опубликована в журнале Nature.
Квантовое перемешивание (quantum scrambling) — это процесс рассредоточения информации по сложной квантовой системе вследствие взаимодействия ее частей. В общем случае в результате этого возникают корреляции между удаленными объектами, которые в квантовой механике называется запутыванием. В таком случае информацию нельзя извлечь из отдельной части системы, так как она распределена и содержится не только в ней. Таким образом, если мы будем следить только за локальным участком, то придем к выводу, что изначальная информация оказалась потеряна. Этот эффект тесно связан со стремлением взаимодействующих объектов к термическому равновесию, то есть наименее упорядоченному состоянию, характеризующемуся максимальной энтропией.
Самостоятельный интерес в физике квантовых систем представляет задача изучения подобного перемешивания и отделения его от настоящей потери информации. Обычно для этого используют многочисленные измерения различных частей системы в разное время, которые позволяют вычислить корреляционную функцию OTOC (out-of-time-ordered correlation function). В идеальных условиях применение данной схемы ко всем парам подсистем позволяет выявить информационное перемешивание. Однако шумы и другие источники отклонений препятствуют получению полезных данных при повторных измерениях.
В работе американо-канадского коллектива физиков под руководством сотрудников Объединенного квантового института при Мэрилендском университете предлагается способ проверки корректности измерения информационного перемешивания. Их метод состоит в работе с двумя копиями взаимодействующей системы кубитов, в каждой из которых изначально все кроме одного элементы находятся в состоянии запутанности с соответствующим кубитом из другой системы. Оставшийся кубит первой системы называется «входом», на него записывается некая квантовая информация, а последний кубит второй системы запутан с дополнительным отдельным кубитом, называемым «мишенью», который вначале находится в основном энергетическом состоянии.
Если после начала взаимодействия всех кубитов квантовое состояние «входа» окажется телепортировано на «мишень», то это означает, что информация успешно перемешалась по всем элементам системы. В экспериментах авторов в качестве кубитов использовались холодные ионы в оптических ловушках, а каждая система состояла из трех элементов, то есть всего в опыте было семь кубитов. Ученым удалось добиться вероятности совпадения квантовых состояний после телепортации в 80 процентов, что означает, что около половины информации перемешалась, а половина потерялась из-за необратимой декогеренции системы.
Изначальным толчком для разработки данного протокола были исследования по физике черных дыр, так как они могут обеспечивать очень эффективное квантовое перемешивание всей попавшей информации. С первого взгляда кажется, что информация об упавшем в черную дыру теле оказывается недоступна извне, а после испарения из-за излучения Хокинга она безвозвратно исчезает. Эту ситуацию называют информационным парадоксом черных дыр, хотя насчет не только его возможного решения, но и даже существования продолжаются дебаты в научной среде.
Согласно одному из подходов, попавшую в черную дыру информацию можно восстановить путем наблюдения квантовых корреляций в излучении Хокинга, а описанный в новой работе экспериментальный протокол как раз соответствует этому теоретическому сценарию. В таком случае «вход» соответствует упавшей в черную дыру информации, первая система — самой черной дыре, а «мишень» — излучению Хокинга. Таким образом, забросив в черную дыру запутанный кубит возможно получить информацию из-под горизонта событий. Тем не менее, эта аналогия опирается на ряд упрощений. В частности, черная дыра в этой модели является очень хорошим перемешивателем, что для реальных объектов может оказаться неверным.
Подробнее о судьбе информации при падении в черную дыру мы подробно говорили с физиком-теоретиком Эмилем Ахмедовым, одним из сторонников точки зрения, что никакого парадокса в этой ситуации вовсе не наблюдается.
Тимур Кешелава
При каждом нажатии он меняет структуру, не забывая о предыдущих изменениях
Физики создали механический метаматериал с эффектом памяти, который можно использовать как примитивный счетчик до десяти. Этот материал представляет собой массив из десяти деформируемых ячеек, каждая из которых может находиться в одном из двух состояний, меняющихся при нажатии. При этом предыдущих изменений материал не забывает. В будущем счетчики с подобной конструкцией могут оказаться полезными для мягкой робототехники и умных сенсоров, пишут ученые в Physical Review Letters. Свойства метаматериалов определяются в первую очередь не химическим строением, а геометрической микроструктурой (например, расположением слоев различных веществ или периодичностью атомной решетки) и для них характерны аномальные значения различных физических параметров. Например, если растягивать в продольном направлении ауксетики, обладающие отрицательным значения коэффициента Пуассона, то в перпендикулярном направлении они расширяются (в то время как обычные материалы сжимаются). Ученые работают и над метаматериалами, обладающими памятью: они запоминают воздействие и реагируют на него сменой физических свойств. Например, если нагреть полимер с памятью формы, он вернет исходную (до деформации) форму. Однако такие материалы запоминают лишь начальное состояние, запомнить несколько последовательно меняющихся состояний им не под силу. Физики Мартин ван Хеке (Martin van Hecke) и Леннард Квакернак (Lennard Kwakernaak) из Лейденского университета разработали метаматериал, у которого память о предыдущих деформациях не сбрасывается. Храня информацию о предыдущих воздействиях, такой материал фактически способен считать: он запоминает каждое нажатие, последовательно меняя свою структуру. Ученые сделали материал на 3D-принтере из стоматологической силиконовой смеси для слепков. Он состоит из отдельных ячеек, каждая из которых включает в себя две балки: одну тонкую и одну толстую. Тонкая балка может изгибаться либо влево, либо вправо. Толстая балка служит перегородкой, отделяя ячейки материала друг от друга. Значение критической деформации для толстой и тонкой балок различны, поэтому одного нажатия достаточно для сгибания тонкой балки и частичной деформации толстой. Наличие толстой балки также не дает деформироваться тонкой балке в соседней ячейке. Материал считает следующим образом. В начальном состоянии {000...0} все тонкие балки изогнуты влево. При каждом изменении направления изгиба тонкой балки 0 меняется на 1. Превышая первым нажатием критическую деформацию тонкой балки, систему выводят в состояние {100...0}. После каждого следующего нажатия крайняя слева балка изгибается в правую сторону. Толстая балка при этом не деформируется, но за счет конструкции сгибает следующую тонкую. То есть система копирует состояние изогнутой вправо тонкой балки (1) с каждым нажатием на одну ячейку правее. В терминах нулей и единиц, подсчет можно записать как {000...0} → {100...0} → {110...0}→··· → {111...1}. До скольки может досчитать материал, зависит от числа ячеек и начального состояния системы, память метаматериала сохраняется до конца подсчета. По словам авторов работы, такой метаматериал с эффектом памяти фактически представляет собой простейший компьютер, который можно запрограммировать на счет с любого начального числа. Его работу ученые проверили, фиксируя значения критических деформаций и начиная счет с различных начальных чисел. Материаловеды отмечают, что такой счетчик из метаматериала можно изготовить и из других веществ, например каучука или полиуретана. В будущем из аналогичных ячеек ученые планируют собирать и двумерные массивы, на которых можно будет проводить более сложные вычислительные операции Метаматериалы хороши не только в счете: они помогают решать уравнения со скоростью света, а еще их можно превратить в непрерывные кристаллы времени.