Kan sammenfiltrede qubits bruges til at sondere sorte huller? (Opdatering)

Fysikere har brugt en syv-qubit kvantecomputer til at simulere forvrængning af information inde i et sort hul, varsler en fremtid, hvor indviklede kvantebits kan bruges til at undersøge det mystiske indre af disse bizarre objekter.

Scrambling er, hvad der sker, når stof forsvinder inde i et sort hul. De oplysninger, der er knyttet til sagen – identiteten af ​​alle dens bestanddele, ned til energien og momentum af dets mest elementære partikler - er kaotisk blandet med alt andet stof og information indeni, tilsyneladende gør det umuligt at hente.

Dette fører til et såkaldt "sort hul informationsparadoks, "da kvantemekanikken siger, at information aldrig går tabt, selv når den information forsvinder inde i et sort hul.

Så, mens nogle fysikere hævder, at information, der falder gennem begivenhedshorisonten for et sort hul, går tabt for altid, andre hævder, at denne information kan rekonstrueres, men kun efter at have ventet uforholdsmæssig lang tid - indtil det sorte hul er skrumpet til næsten halvdelen af ​​sin oprindelige størrelse. Sorte huller krymper, fordi de udsender Hawking-stråling, som er forårsaget af kvantemekaniske udsving i selve kanten af ​​det sorte hul og er opkaldt efter den afdøde fysiker Stephen Hawking.

Desværre, et sort hul ville vores sols masse tage omkring 10 ⁶⁷ år til at fordampe - langt, langt længere end universets alder.

Imidlertid, der er et smuthul – eller rettere, et ormehul - ud af dette sorte hul. Det kan være muligt at hente denne indfaldende information betydeligt hurtigere ved at måle subtile sammenfiltringer mellem det sorte hul og Hawking-strålingen, det udsender.

To informationsbidder - som kvantebittene, eller qubits, i en kvantecomputer - er viklet ind, når de er så tæt forbundet, at den enes kvantetilstand automatisk bestemmer den andens tilstand, uanset hvor langt fra hinanden de er. Fysikere omtaler nogle gange dette som "uhyggelig handling på afstand, " og målinger af sammenfiltrede qubits kan føre til "teleportation" af kvanteinformation fra en qubit til en anden.

"Man kan genvinde den information, der er faldet ned i det sorte hul, ved at lave en massiv kvanteberegning på disse udgående Hawking-fotoner, " sagde Norman Yao, en UC Berkeley assisterende professor i fysik. "Dette forventes at være virkelig, rigtig hård, men hvis man skal tro kvantemekanikken, det burde, i princippet, være muligt. Det er præcis, hvad vi gør her, men for et lille tre-qubit 'sort hul' inde i en syv-qubit kvantecomputer."

Ved at tabe en sammenfiltret qubit i et sort hul og forespørge på den nye Hawking-stråling, du kan teoretisk bestemme tilstanden af ​​en qubit inde i det sorte hul, giver et vindue ind i afgrunden.

Yao og hans kolleger ved University of Maryland og Perimeter Institute for Theoretical Physics i Waterloo, Ontario, Canada, vil rapportere deres resultater i et papir, der vises i 6. marts-udgaven af ​​tidsskriftet Natur .

Teleportering

Yao, der er interesseret i at forstå karakteren af ​​kvantekaos, lært af ven og kollega Beni Yoshida, en teoretiker ved Perimeter Institute, at genvinding af kvanteinformation, der falder ind i et sort hul, er mulig, hvis informationen forvrænges hurtigt inde i det sorte hul. Jo mere grundigt det blandes i det sorte hul, jo mere pålideligt kan informationen hentes via teleportering. Baseret på denne indsigt, Yoshida og Yao foreslog sidste år et eksperiment for beviseligt at demonstrere scrambling på en kvantecomputer.

"Med vores protokol, hvis du måler en teleportationsfidelitet, der er høj nok, så kan du garantere, at scrambling skete i kvantekredsløbet, " sagde Yao. "Så, så ringede vi til min ven, Chris Monroe."

Monroe, en fysiker ved University of Maryland i College Park, der leder en af ​​verdens førende fangede-ion kvanteinformationsgrupper, besluttede at give det en chance. Hans gruppe implementerede protokollen foreslået af Yoshida og Yao og målte effektivt en ude af tiden-ordnet korrelationsfunktion.

Kaldet OTOC'er, disse ejendommelige korrelationsfunktioner skabes ved at sammenligne to kvantetilstande, der adskiller sig i tidspunktet for, hvornår bestemte spark eller forstyrrelser anvendes. Nøglen er at kunne udvikle en kvantetilstand både frem og tilbage i tid for at forstå effekten af ​​det andet spark på det første spark.

Monroes gruppe skabte et scrambling kvantekredsløb på tre qubits i en syv-qubit fangede-ion kvantecomputer og karakteriserede det resulterende henfald af OTOC. Mens henfaldet af OTOC typisk tages som en stærk indikation af, at der er sket scrambling, for at bevise, at de var nødt til at vise, at OTOC ikke blot forfaldt på grund af dekohærens - dvs. at det ikke bare var dårligt afskærmet mod støjen fra omverdenen, hvilket også får kvantetilstande til at falde fra hinanden.

Yao og Yoshida beviste, at jo større nøjagtighed de kunne hente den sammenfiltrede eller teleporterede information med, jo strengere kunne de sætte en nedre grænse for mængden af ​​scrambling, der var sket i OTOC.

Monroe og hans kolleger målte en teleporteringstroskab på cirka 80 procent, hvilket betyder, at måske halvdelen af ​​kvantetilstanden var forvrænget og den anden halvdel forfaldet af dekohærens. Alligevel, dette var nok til at demonstrere, at ægte scrambling faktisk havde fundet sted i dette tre-qubit kvantekredsløb.

"En mulig applikation til vores protokol er relateret til benchmarking af kvantecomputere, hvor man måske kan bruge denne teknik til at diagnosticere mere komplicerede former for støj og dekohærens i kvanteprocessorer, " sagde Yao.

Yao arbejder også med en UC Berkeley-gruppe ledet af Irfan Siddiqi for at demonstrere scrambling i et andet kvantesystem, superledende qutrits:kvantebits, der har tre, frem for to, stater. Siddiqi, en UC Berkeley professor i fysik, leder også bestræbelserne på Lawrence Berkeley National Laboratory for at bygge en avanceret kvantecomputertestleje.

"I sin kerne, dette er et qubit eller qutrit eksperiment, men det faktum, at vi kan relatere det til kosmologi, er fordi vi tror, ​​at dynamikken i kvanteinformation er den samme, " sagde han. "USA lancerer et milliard-dollar kvanteinitiativ, og forståelsen af ​​kvanteinformationens dynamik forbinder mange forskningsområder inden for dette initiativ:kvantekredsløb og databehandling, højenergifysik, sort hul dynamik, kondenseret stof fysik og atomare, molekylær og optisk fysik. Kvanteinformationens sprog er blevet gennemgående for vores forståelse af alle disse forskellige systemer."

Bortset fra Yao, Yoshida og Monroe, andre medforfattere er UC Berkeley kandidatstuderende T. Schuster og K. A. Landsman, C. Figgatt og N. M. Linke fra Marylands Joint Quantum Institute. Arbejdet blev støttet af Department of Energy og National Science Foundation.