Новый подход к передаче информации достигает квантового предела скорости

Эти ограничения скорости называются пределами Либа-Робинсона, и в течение нескольких лет некоторые из них насмехались над исследователями. Для некоторых задач существовал разрыв между наилучшими скоростями, допускаемыми теорией, и скоростями, возможными с помощью лучших алгоритмов, которые кто-либо разработал. Как будто ни один производитель автомобилей не мог придумать, как сделать модель, которая достигнет предела местных шоссе.

Но в отличие от ограничений скорости на дорогах, информационные ограничения скорости нельзя игнорировать, когда вы спешите – они являются неизбежным результатом фундаментальных законов физики. Для любой квантовой задачи существует предел того, насколько быстро взаимодействия могут оказывать влияние (и, таким образом, передавать информацию) на определенное расстояние. Основные правила определяют наилучшую возможную производительность. Таким образом, ограничения скорости передачи информации больше похожи на максимальный балл в старой школьной аркаде, чем на правила дорожного движения, а достижение максимального результата – заманчивый приз для ученых.

Теперь группа исследователей под руководством научного сотрудника JQI Алексея Горшкова нашла квантовый протокол, который достигает теоретических пределов скорости для определенных квантовых задач. Их результат позволяет по-новому взглянуть на разработку оптимальных квантовых алгоритмов и доказывает, что не было более низкого, неоткрытого предела, препятствующего попыткам создания лучших проектов. Горшков, который также является научным сотрудником Объединенного центра квантовой информации и компьютерных наук (QuICS) и физиком Национального института стандартов и технологий, и его коллеги представили свой новый протокол в недавней статье, опубликованной в журнале. Физический обзор X.

«Этот разрыв между максимальными и достижимыми скоростями беспокоил нас, потому что мы не знали, была ли эта граница ослабленной, или мы были недостаточно умны, чтобы улучшить протокол», – говорит Минь Тран, JQI и Аспирант QuICS, который был ведущим автором статьи. «На самом деле мы не ожидали, что это предложение окажется настолько сильным. И мы очень старались улучшить границу – оказалось, что это невозможно. Так что мы очень рады этому результату ».

Неудивительно, что теоретический предел скорости для отправки информации в квантовом устройстве (таком как квантовый компьютер) зависит от базовой структуры устройства. Новый протокол разработан для квантовых устройств, где основные строительные блоки – кубиты – влияют друг на друга, даже если они не расположены рядом друг с другом. В частности, команда разработала протокол для кубитов, взаимодействие которых ослабевает по мере увеличения расстояния между ними. Новый протокол работает для ряда взаимодействий, которые не ослабевают слишком быстро, и охватывает взаимодействия во многих практических строительных блоках квантовых технологий, включая центры вакансий азота, ридберговские атомы, полярные молекулы и захваченные ионы.

Важно отметить, что протокол может передавать информацию, содержащуюся в неизвестном квантовом состоянии, на удаленный кубит, что является важной особенностью для достижения многих преимуществ, обещанных квантовыми компьютерами. Это ограничивает способ передачи информации и исключает некоторые прямые подходы, такие как создание копии информации в новом месте. (Для этого необходимо знать квантовое состояние, которое вы переносите.)

В новом протоколе данные, хранящиеся на одном кубите, передаются его соседям с помощью явления, называемого квантовой запутанностью. Затем, поскольку все эти кубиты помогают переносить информацию, они работают вместе, чтобы распространить ее на другие наборы кубитов. Поскольку задействовано больше кубитов, они передают информацию еще быстрее.

Этот процесс можно повторять, чтобы продолжать генерировать более крупные блоки кубитов, которые передают информацию все быстрее и быстрее. Таким образом, вместо простого метода передачи информации кубитами один за другим, как баскетбольная команда передает мяч по площадке, кубиты больше похожи на снежинки, которые на каждом шаге объединяются в более крупный и быстро катящийся снежный ком. И чем больше снежный ком, тем больше хлопьев прилипает к каждому обороту.

Но, может быть, на этом сходство со снежками заканчивается. В отличие от настоящего снежного кома, квантовая коллекция тоже может разворачиваться. Информация остается на удаленном кубите, когда процесс выполняется в обратном порядке, возвращая все остальные кубиты в их исходные состояния.

Когда исследователи проанализировали этот процесс, они обнаружили, что стремительно растущие кубиты передают информацию на теоретических пределах, допускаемых физикой. Поскольку протокол достигает ранее проверенного предела, ни один будущий протокол не сможет его превзойти.

«Новый аспект заключается в том, как мы запутываем два блока кубитов», – говорит Тран. «Раньше был протокол, который запутывал информацию в один блок, а затем пытался объединить кубиты из второго блока в него один за другим. Но теперь, поскольку мы также запутываем кубиты во втором блоке перед тем, как объединить его в первый блок, улучшение будет больше ».

В новом квантовом протоколе группы квантовых запутанных кубитов (красные точки) привлекают больше кубитов (синие точки) на каждом этапе, чтобы помочь быстро перемещать информацию из одного места в другое. Поскольку на каждом этапе задействовано больше кубитов, протокол создает эффект снежного кома, который обеспечивает максимальную скорость передачи информации, разрешенную теорией. 

Протокол является результатом работы команды, изучающей возможность одновременного перемещения информации, хранящейся на нескольких кубитах. Они поняли, что использование блоков кубитов для перемещения информации повысит скорость протокола.

«С практической точки зрения протокол позволяет нам не только распространять информацию, но и быстрее запутывать частицы», – говорит Тран. «И мы знаем, что с помощью запутанных частиц можно делать много интересных вещей, например, измерения и зондирование с более высокой точностью. А быстрое перемещение информации также означает, что вы можете быстрее обрабатывать информацию. В создании квантовых компьютеров есть множество других узких мест, но, по крайней мере, с точки зрения фундаментальных ограничений, мы знаем, что возможно, а что нет ».

Помимо теоретических выводов и возможных технологических приложений, математические результаты команды также раскрывают новую информацию о том, насколько большими должны быть квантовые вычисления, чтобы моделировать частицы с взаимодействиями, подобными взаимодействиям кубитов в новом протоколе. Исследователи надеются изучить пределы других видов взаимодействий и изучить дополнительные аспекты протокола, например, насколько он устойчив к шуму, нарушающему процесс.