Квантовый эффект бабочки и моделирование квантового «путешествия во времени»

В исследовании, проведенном группой из Лос-Аламосской национальной лаборатории, Алиса подготавливает свой кубит и применяет скремблирующую единицу U к этому и многим другим кубитам вместе. Боб измеряет свой кубит по любому основанию, переводя кубит в состояние, неизвестное Алисе. Алиса все еще может восстановить свою информацию с помощью единственного декодирующего унитарного U †. Предоставлено: Национальная лаборатория Лос-Аламоса.

Удивительно, но когда все кубиты возвращаются в «настоящее», они кажутся практически неизменными, как если бы реальность исцелялась самостоятельно.

Моделирование квантового «путешествия во времени» опровергает эффект бабочки в квантовой сфере.

«На квантовом компьютере нет проблем с имитацией эволюции во времени в противоположных направлениях или с моделированием запуска процесса назад, в прошлое», — сказал Николай Синицын, физик-теоретик из Лос-Аламосской национальной лаборатории и соавтор статьи с Бин Яном. пост-доктор в Центре нелинейных исследований, также в Лос-Аламосе. «Итак, мы действительно можем увидеть, что происходит со сложным квантовым миром, если мы отправимся в прошлое, добавим небольшой урон и вернемся. Мы обнаружили, что наш мир выживает, а это означает, что в квантовой механике нет эффекта бабочки ».

В научно-фантастическом рассказе Рэя Брэдбери 1952 года «Звук грома» персонаж использовал машину времени, чтобы отправиться в глубокое прошлое, где он наступил на бабочку. Вернувшись в настоящее время, он обнаружил другой мир. Этой истории часто приписывают создание термина «эффект бабочки», который относится к чрезвычайно высокой чувствительности сложной динамической системы к ее начальным условиям. В такой системе ранние небольшие факторы продолжают сильно влиять на эволюцию всей системы.

Вместо этого Ян и Синицын обнаружили, что моделирование возврата в прошлое, чтобы вызвать небольшой локальный ущерб в квантовой системе, приводит только к небольшому, незначительному локальному ущербу в настоящем.

Этот эффект имеет потенциальное применение в аппаратных средствах, скрывающих информацию, и при тестировании устройств с квантовой информацией. Информация может быть скрыта компьютером, преобразовав начальное состояние в сильно запутанное.

«Мы обнаружили, что даже если злоумышленник выполняет измерения повреждения состояния в сильно запутанном состоянии, мы все равно можем легко восстановить полезную информацию, потому что этот ущерб не увеличивается в процессе декодирования», — сказал Ян. «Это оправдывает разговоры о создании квантового оборудования, которое будет использоваться для сокрытия информации».

Это новое открытие можно также использовать для проверки того, действительно ли квантовый процессор работает по квантовым принципам. Поскольку вновь обретенный эффект отсутствия бабочки является чисто квантовым, если процессор работает под управлением системы Яна и Синицына и демонстрирует этот эффект, то это должен быть квантовый процессор.

Чтобы проверить эффект бабочки в квантовых системах, Ян и Синицын использовали теорию и моделирование с квантовым процессором IBM-Q, чтобы показать, как схема может развить сложную систему, применяя квантовые вентили, с прямой и обратной причиной и следствием.

Presto, симулятор квантовой машины времени.

В эксперименте команды Алиса, любимый агент-заместитель, используемый для квантовых мысленных экспериментов, готовит один из своих кубитов в настоящее время и запускает его обратно через квантовый компьютер. В далеком прошлом злоумышленник — Боб, еще один любимый заместитель — измеряет кубит Алисы. Это действие нарушает работу кубита и разрушает все его квантовые корреляции с остальным миром. Далее система запускается в настоящее время.

По словам Рэя Брэдбери, небольшой ущерб, нанесенный Бобом государству, и все эти корреляции в прошлом должны быть быстро увеличены в ходе сложной эволюции вперед во времени. Следовательно, Алиса не сможет восстановить свою информацию в конце.

Но этого не произошло. Ян и Синицын обнаружили, что большая часть нынешней локальной информации была скрыта в глубоком прошлом в форме по существу квантовых корреляций, которые не могли быть повреждены незначительным вмешательством. Они показали, что информация возвращается на кубит Алисы без особых повреждений, несмотря на вмешательство Боба. Как ни странно, для более глубоких путешествий в прошлое и для больших «миров» последняя информация Алисы возвращается к ней еще менее поврежденной.

«Мы обнаружили, что понятие хаоса в классической физике и в квантовой механике следует понимать по-разному», — сказал Синицын.