Физики построили математическую площадку для изучения квантовой информации

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 с исправлением ошибок — это математические протоколы, которые позволяют собирать эти части вместе для восстановления исходной информации. Они активно используются в системах хранения данных и связи. Квантовые коды с исправлением ошибок играют аналогичную роль в тех случаях, когда важна квантовая природа физической системы », — поясняет Анатолий Дымарский, доцент Центра энергетических наук и технологий Сколтеха (CEST).

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. Вот почему появление хорошо изученных математических структур, таких как коды с квантовым исправлением ошибок, интригует », — 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 с исправлением ошибок и двумерными конформными теориями поля. Последний описывает взаимодействия квантовых частиц и стал стандартным теоретическим инструментом 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 квантовых кодов исправления 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.