На изображении: sakkmesterke / Фотодом / Shutterstock. Ученые из австралийского центра квантовой динамики установили связь между вероятностью реализации квантового состояния и вероятностью потери одного бита информации в квантовом компьютере. Квантовый компьютер — гипотетическое вычислительное устройство, которое использует явления квантовой суперпозиции и квантовой запутанности. Квантовым состоянием называется любое возможное состояние, в котором может находиться квантовая частица.
Квантовая запутанность — это кванто-механическое явление, в котором квантовые состояния оказываются взаимозависимыми. Явление суперпозиции — это реализация взаимоисключающих квантовых состояний.
Вернер Гейзенберг в 1927 году сформулировал принцип неопределенности, согласно которому чем точнее измеряется одна характеристика частицы, тем менее точно можно измерить вторую. Рассмотрим переменный во времени сигнал, например звуковую волну. Бессмысленно говорить о частотном спектре сигнала в какой-либо момент времени. Для точного определения частоты необходимо наблюдать за сигналом в течение некоторого времени, таким образом теряя точность определения времени. Другими словами, звук не может одновременно иметь и точное значение времени его фиксации, как его имеет очень короткий импульс, и точного значения частоты, как это имеет место для непрерывного чистого тона. Временное положение и частота волны математически полностью аналогичны координате и квантово-механическому импульсу частицы.
Если следовать логике принципа неопределенности, невозможно определить в конкретный момент времени квантовое состояние второй квантовой частицы, определив квантовое состояние первой частицы. Так что, для того чтобы две квантовые частицы были запутанными, должно быть, в формулировке Эйнштейна, «жуткое дальнодействие», то есть измерение импульса одной частицы должно быть равносильно измерению импульса второй частицы. Опыты Фридмана-Клаузера и Аспэ свидетельствуют в пользу физической реальности «жуткого дальнодействия» и возникновения запутанных квантовых состояний, хотя, согласно принципу неопределенности, их не должно быть.
Наименьшим элементом для хранения информации в таком гипотетическом устройстве, как квантовый компьютер, является кубит. Кубит допускает два собственных квантовых состояния — A и B, а также и квантовое состояние, являющиеся суперпозицией состояний A и B.
Связана ли вероятность потери одного бита информации с вероятностью реализации определенного квантового состояния? Именно этому вопросу посвящена теоретическая статья ученых из австралийского центра квантовой динамики.
Авторы статьи используют формализм Джейнса. Суть его состоит в выполнении законов квантовой механики и термодинамики для квантового компьютера, так как при потере одного бита информации выделяется тепло. Тепло при работе квантового компьютера неизбежно будет выделяться, аналогично выделению тепла при включении освещения в помещении.
В статье делается вывод: при существовании двух (или нескольких) кубитов, находящихся в одинаковых квантовых состояниях (то есть характеризующихся одинаковыми наборами квантовых чисел), вероятность потери бита информации стремится к нулю. В противоположном случае происходит взаимодействие между разными квантовыми состояниями и потеря одного бита.
Статья вносит вклад в теорию квантовых компьютеров, появление которых будет означать значительное ускорение скорости вычислений.
Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.
Источник: http://chrdk.ru/
