Теоретичний протокол квантової телепортації, натхненний поведінкою інформації в чорних дірах, може працювати з дуже високою точністю навіть без так званої «квантової магії». На це вказує новий математичний аналіз фізиків Судханви Джоші (Sudhanva Joshi) та Суніла Кумара Мішри (Sunil Kumar Mishra) з Індійського технологічного інституту (Університет Бенареса). Про роботу розповідає видання ScienceAlert.
Як чорні діри надихнули протокол телепортації
За горизонтом подій чорної діри, в одному з найекстремальніших середовищ у Всесвіті, квантова інформація, за теорією, майже безповоротно «перемішується» у складне переплетіння квантових взаємодій. Такі об’єкти вважають найшвидшими «скремблерами» квантової інформації у Всесвіті.
Якщо ж дві чорні діри з’єднані певним чином через кротовину, теорія допускає, що інформація, поглинута однією, може бути відновлена іншою. Це чисто теоретична картина, але вона надихнула фізиків створити протоколи квантової телепортації, де квантові схеми імітують процес скремблювання замість реальних чорних дір.
Що таке квантова телепортація і «магія»
Квантова телепортація не переміщує матерію миттєво, як у фантастиці. Замість цього квантовий стан однієї частинки передається іншій завдяки квантовій заплутаності та класичному каналу зв’язку. Початковий стан при цьому знищується, але відтворюється на відстані.
Заплутаність означає настільки глибоку кореляцію між об’єктами, що їх уже неможливо повністю описати окремо в рамках класичної фізики. При цьому телепортація не дозволяє передавати інформацію швидше за світло, але дає змогу «переносити» квантові стани на великі відстані.
У квантових обчисленнях слово «магія» має технічний сенс. «Квантова магія» — це ресурс, який дозволяє виконувати операції, що не можуть бути ефективно змодельовані звичайним комп’ютером. Як літак порівняно з вантажівкою: обидва перевозять вантаж, але літак дає додаткові можливості, наприклад переліт через океан за кілька годин.
Не всі квантові задачі потребують такої «магії». Дослідники якраз і перевіряли, скільки цього ресурсу насправді вимагає протокол телепортації, натхненний чорними дірами.
Дві схеми скремблювання: з магією і без
Команда математично дослідила два підходи до скремблювання квантової інформації в такому протоколі.
- Перший базувався на класі квантових операцій, відомих як кліфордові схеми (Clifford circuits). Вони можуть створювати заплутаність і керувати квантовою інформацією, але не генерують квантову магію, тому їх легко імітувати на звичайному комп’ютері.
- Другий використовував більш загальні випадково вибрані операції, так звані Haar-випадкові скремблери. Вони зазвичай містять значну кількість квантової магії.
Фізики порівняли, наскільки точно кожен підхід телепортує квантову інформацію, тобто наскільки близьким є відновлений стан до початкового.
Неочікуваний результат: однакова середня точність
Середні показники виявилися однаковими: в обох підходах середня точність (фідельність) телепортації була однаковою, попри те, що один з них використовував квантову магію, а інший — ні.
Однак середнє значення не розкриває всієї картини. Дані розподілялися дуже по-різному. Для Haar-випадкових скремблерів результати були набагато стабільнішими, тоді як у випадку кліфордових схем спостерігався великий розкид.
В одному числовому прикладі з вісьмома квантовими бітами (кубітами) дисперсія фідельності телепортації в кліфордового підходу була приблизно в 40 000 разів більшою, ніж у Haar-підходу. Тобто середня точність однакова, але окремі запуски дають сильно різні результати.
З цього випливає, що квантова магія не є обов’язковою для досягнення високої середньої точності телепортації в цій моделі, але вибір схеми скремблювання суттєво впливає на стабільність результатів.
Великі системи і роль декодування
Ще один цікавий висновок стосувався масштабування. Коли змодельовані квантові системи ставали більшими, кліфордова схема поступово покращувала свої показники: фідельність телепортації наближалася до майже ідеальної, навіть попри повну відсутність квантової магії у скремблюванні.
Зі зростанням розміру системи зменшувався і розкид результатів для кліфордових схем, хоча Haar-підхід залишався помітно надійнішим за стабільністю.
При цьому дослідники виявили, що саме по собі додавання квантової магії не гарантує кращих результатів телепортації. Ключовим виявилося те, як саме інформацію декодують: процедура декодування повинна відповідати тому, як її було заскрембльовано спочатку.
Обмеження дослідження і можливі наслідки
Йдеться не про реальну телепортацію через справжні чорні діри. Робота цілком теоретична і ґрунтується на математичних моделях квантових систем в ідеалізованих умовах. У майбутньому такі протоколи ще належить перевірити на реальному квантовому обладнанні.
Поки що невідомо, чи збережуться отримані закономірності в більш реалістичних сценаріях. Проте результати свідчать, що здатність скремблювати й відновлювати квантову інформацію не обов’язково потребує максимально складних з погляду обчислень операцій.
Це може допомогти глибше зрозуміти поведінку квантової інформації та, бодай у крихітній мірі, прояснити, що теоретично може знадобитися для відновлення даних з одних із найзагадковіших об’єктів у Всесвіті. Робота наразі доступна як препринт на сервері arXiv і ще не пройшла рецензування.