Квантовая механика полна странных явлений, но, пожалуй, ни одно из них не настолько странное, как роль измерения в теории. Поскольку измерение имеет тенденцию разрушать «квантовость» системы, оно кажется таинственным связующим звеном между квантовым и классическим миром. А в большой системе квантовых битов информации, известной как «кубиты», эффект измерений может вызвать совершенно новое поведение, даже приводя к появлению совершенно новых фаз квантовой информации. Это происходит, когда два конкурирующих эффекта достигают апогея: взаимодействие и измерение. В квантовой системе, когда кубиты взаимодействуют друг с другом, их информация становится нелокальной и находится в «запутанном состоянии». Но если вы измерите систему, запутанность будет разрушена. Битва между измерениями и взаимодействиями приводит к двум различным фазам: одна, где доминируют взаимодействия и запутанность широко распространена, и вторая, где доминируют измерения, а запутанность подавляется.
Как сообщается в журнале Nature, исследователи из Google Quantum AI и Стэнфордского университета наблюдали пересечение этих двух режимов, известное как «фазовый переход, вызванный измерениями», в системе, содержащей до 70 кубитов. На сегодняшний день это крупнейшая система, в которой исследовались эффекты, вызванные измерениями. Исследователи также увидели признаки новой формы «квантовой телепортации», при которой неизвестное квантовое состояние переносится из одного набора кубитов в другой, возникающей в результате этих измерений. Эти исследования могут помочь вдохновить на создание новых методов, полезных для квантовых вычислений. Запутывание в системе кубитов можно представить как сложную паутину связей. Когда мы измеряем запутанную систему, влияние, которое она оказывает на сеть, зависит от силы измерения. Он может полностью уничтожить паутину или же отрезать и обрезать отдельные нити паутины, но оставить другие нетронутыми.
Действительно увидеть эту паутину запутанности в эксперименте чрезвычайно сложно. Сама сеть невидима, поэтому исследователи могут сделать вывод о ее существовании, только наблюдая статистические корреляции между результатами измерений кубитов. Чтобы понять структуру паутины, необходимо провести много-много прогонов одного и того же эксперимента. Эта и другие проблемы мешали прошлым экспериментам и ограничивали изучение фазовых переходов, вызванных измерениями, до очень маленьких размеров систем. Чтобы решить эти проблемы, исследователи применили несколько экспериментальных приемов. Во-первых, они изменили порядок операций так, чтобы все измерения можно было проводить в конце эксперимента, а не чередовать их, что снизило сложность эксперимента. Во-вторых, они разработали новый способ измерения определенных характеристик сети с помощью одного «зондового» кубита.
Таким образом, они могли узнать больше о паутине запутанности за меньшее количество экспериментов, чем требовалось ранее. Наконец, зонд, как и все кубиты, был чувствителен к нежелательному шуму окружающей среды. Обычно это воспринимается как нечто плохое, поскольку шум может нарушить квантовые расчеты, но исследователи превратили эту ошибку в особенность, отметив, что чувствительность зонда к шуму зависит от природы сети запутанности вокруг него. Таким образом, они могли бы использовать чувствительность зонда к шуму, чтобы сделать вывод о запутанности всей системы. Команда сначала изучила разницу в чувствительности к шуму в двух режимах запутывания и обнаружила совершенно разное поведение. Когда измерения доминировали над взаимодействиями («фаза распутывания»), нити паутины оставались относительно короткими. Пробный кубит был чувствителен только к шуму ближайших кубитов. Напротив, когда измерения были слабее, а запутывание было более распространенным («фаза запутывания»), зонд был чувствителен к шуму во всей системе. Пересечение этих двух резко контрастирующих поведений является признаком искомого фазового перехода, вызванного измерениями.
Команда также продемонстрировала новую форму квантовой телепортации, которая естественным образом возникла в результате измерений: путем измерения всех удаленных кубитов, кроме двух, в слабо запутанном состоянии, между этими двумя удаленными кубитами создавалась более сильная запутанность. Способность создавать запутывание на больших расстояниях, вызванное измерениями, позволяет осуществлять телепортацию, наблюдаемую в эксперименте. Устойчивость запутанности к измерениям на этапе запутанности может вдохновить на создание новых схем, которые сделают квантовые вычисления более устойчивыми к шуму. Роль, которую измерения играют в возникновении новых фаз и физических явлений, также представляет фундаментальный интерес для физиков. Профессор Стэнфорда и соавтор исследования Ведика Кемани говорит: «Включение измерений в динамику открывает совершенно новую площадку для физики многих тел, где можно найти множество интересных и новых типов неравновесных фаз. Мы исследуем некоторые из них. эти поразительные и нелогичные измерения вызвали явления в этой работе, но в будущем предстоит открыть гораздо больше богатства».
Источник: ufonews.su
