Fysikere har bygget en matematisk legeplads til at studere kvanteinformation

I en ny undersøgelse fra Skoltech og University of Kentucky, forskere har fundet en ny sammenhæng mellem kvanteinformation og kvantefeltteori. Dette arbejde vidner om kvanteinformationsteoriens voksende rolle på tværs af forskellige fysikområder. Artiklen blev offentliggjort i tidsskriftet Fysiske anmeldelsesbreve .

Kvanteinformation spiller en stadig vigtigere rolle som et organiserende princip, der forbinder forskellige grene af fysikken. I særdeleshed, teorien om kvantefejlkorrektion, som beskriver, hvordan man beskytter og genskaber information i kvantecomputere og andre komplekse interagerende systemer, er blevet en af ​​byggestenene i den moderne forståelse af kvantetyngdekraften.

"Normalt, information lagret i fysiske systemer er lokaliseret. Sige, en computerfil optager et bestemt lille område af harddisken. Med "fejl" mener vi enhver uforudset eller uønsket interaktion, som forvrider information over et udvidet område. I vores eksempel, stykker af computerfilen ville blive spredt over forskellige områder af harddisken. Fejlrettelse af koder er matematiske protokoller, der gør det muligt at samle disse stykker sammen for at gendanne de originale oplysninger. De er meget i brug i datalagring og kommunikationssystemer. Kvantefejlkorrigerende koder spiller en lignende rolle i tilfælde, hvor det fysiske systems kvantenatur er vigtig, "Anatoly Dymarsky, Lektor ved Skoltech Center for Energividenskab og Teknologi (CEST), forklarer.

I en ret uventet drejning, forskere indså for ikke så længe siden, at kvantetyngdekraften - teorien, der beskriver kvantedynamikken i rum og tid - anvender lignende matematiske protokoller til at udveksle information mellem forskellige dele af rummet. "Informationslokaliteten inden for kvantetyngdekraften er fortsat et af de få åbne grundlæggende problemer i teoretisk fysik. Det er grunden til, at fremkomsten af ​​velstuderede matematiske strukturer såsom kvantefejlkorrigerende koder er spændende, Dymarsky bemærker. Alligevel blev koders rolle kun forstået skematisk, og den eksplicitte mekanisme bag informationens lokalitet forbliver uhåndgribelig.

I deres nye avis, han og hans kollega, Alfred Shapere fra University of Kentucky Department of Physics and Astronomy, etablere en ny sammenhæng mellem kvantefejlkorrigerende koder og todimensionelle konforme feltteorier. Sidstnævnte beskriver interaktioner mellem kvantepartikler og er blevet standardteoretiske værktøjer til at beskrive mange forskellige fænomener, fra grundlæggende elementarpartikler til kvasipartikler, der opstår i kvantematerialer, såsom grafen. Nogle af disse konforme feltteorier beskriver også kvantetyngdekraften via holografisk korrespondance.

"Nu har vi en ny legeplads til at studere kvantefejlkorrigerende koders rolle i forbindelse med kvantefeltteori. Vi håber, at dette er et første skridt i at forstå, hvordan lokalitet af information faktisk fungerer, og hvad gemmer sig bag al denne smukke matematik, " slutter Dymarsky.