Квантовая запутанность зависима от области

Два исследователя из компьютерного центра UCL и Гданьского университета предложили новый метод определения количества запутанностей — квантового явления, соединяющего двух удаленных партнеров, имеющего крайне важное значение для квантовых технологий — в пределах одномерной квантовой системы.

В своей работе, опубликованной на этой неделе в Nature Physics, доктор Фернандо Брандао (UCL) и Миха Городецки (Институт теоретической физики и астрофизики, Гданьск) продемонстрировали, что корреляция между частицами в образце экспоненциально уменьшается с увеличением расстояния; запутанность между одним регионом и остальной частью выборки зависит только от площади границы между ними.

Характеристика запутанных состояний несет важное значение для таких технологий, как квантовые вычисления, квантовая коммуникация и квантовая криптография. Запутанность также создает сложности в создании компьютерной симуляции квантовой системы. Открытие ученых показывает, что широкий класс квантовых систем (с экспоненциальным уменьшением корреляций) имеет ограниченное количество запутанностей и поэтому его можно легко симулировать.

Зависимость между областью и запутанностью давно предполагалась учеными в этой сфере интуитивно: если корреляция между частицами в системе убывает с расстоянием, значит только близкие частицы запутываются друг с другом. Таким образом, частицы, находящиеся далеко от границы, просто не будут участвовать в запутанности и только область границы будет иметь значение.

Тем не менее, эта любопытная идея была подорвана существованием контрпримера. Даже когда два региона разделены широким слоем, который должен обрезать все типы связи между частицами, наблюдатели не смогут знать точное число запутанных частиц, как если бы они были полностью изолированными. Это явление «сокрытия данных» является ключевой характеристикой запутанных состояний, ведь в такой системе знание одного партнера влияет на параметр измерения другого.

Работа ученых разрешает все эти трудности, объединяя недавние выводы из теории квантовой информации, специально разработанной для анализа протоколов квантовой связи, и показывая, что сокрытие данных не может одновременно хранить экспоненциально убывающие корреляции, обнаруженные во всех регионах системы.

Доктор Брандао говорит:

«Мы очень рады, что смогли вывести этот метод. Он доказывает то, что казалось интуитивно верным, а также является причиной того, почему истина слегка отличается от интуитивно предсказанной. Результат помогает нам выявит случаи низкой запутанности. Они являются хорошими кандидатами для симуляции на классических компьютерах, не способных моделировать последствия квантовых явлений».

Доктор Городецки соглашается с коллегой:

«Что мне особенно нравится в нашем результате, так это, что возможно впервые в этой области мы использовали только теоретико-информационные методы, не предполагая каких-либо конкретных физических свойств системы. Следовательно, результат носит весьма общий характер».