Физики разработали и экспериментально продемонстрировали новый протокол проверки квантового перемешивания информации. Помимо применения в области квантовых технологий, данная работа имеет и теоретическое значение, так как позволяет изучать реализуемое черной дырой перемешивание информации. Статья с результатами опубликована в журнале Nature.

Квантовое перемешивание (quantum scrambling) — это процесс рассредоточения информации по сложной квантовой системе вследствие взаимодействия ее частей.

В общем случае в результате этого возникают корреляции между удаленными объектами, которые в квантовой механике называется запутыванием. В таком случае информацию нельзя извлечь из отдельной части системы, так как она распределена и содержится не только в ней.

Таким образом, если мы будем следить только за локальным участком, то придем к выводу, что изначальная информация оказалась потеряна. Этот эффект тесно связан со стремлением взаимодействующих объектов к термическому равновесию, то есть наименее упорядоченному состоянию, характеризующемуся максимальной энтропией.

Самостоятельный интерес в физике квантовых систем представляет задача изучения подобного перемешивания и отделения его от настоящей потери информации. Обычно для этого используют многочисленные измерения различных частей системы в разное время, которые позволяют вычислить корреляционную функцию OTOC (out-of-time-ordered correlation function). В идеальных условиях применение данной схемы ко всем парам подсистем позволяет выявить информационное перемешивание. Однако шумы и другие источники отклонений препятствуют получению полезных данных при повторных измерениях.

В работе американо-канадского коллектива физиков под руководством сотрудников Объединенного квантового института при Мэрилендском университете предлагается способ проверки корректности измерения информационного перемешивания. Их метод состоит в работе с двумя копиями взаимодействующей системы кубитов, в каждой из которых изначально все кроме одного элементы находятся в состоянии запутанности с соответствующим кубитом из другой системы. Оставшийся кубит первой системы называется «входом», на него записывается некая квантовая информация, а последний кубит второй системы запутан с дополнительным отдельным кубитом, называемым «мишенью», который вначале находится в основном энергетическом состоянии.

Схема эксперимента. Слева направо показана временная эволюция, верхние три горизонтальные линии соответствуют кубитам первой системы, следующие три — второй. Вертикальные линии показывают квантовую запутанность. В результате взаимодействия квантовое состояние верхнего кубита передается нижнему. K. A. Landsman et al. / Nature

Если после начала взаимодействия всех кубитов квантовое состояние «входа» окажется телепортировано на «мишень», то это означает, что информация успешно перемешалась по всем элементам системы. В экспериментах авторов в качестве кубитов использовались холодные ионы в оптических ловушках, а каждая система состояла из трех элементов, то есть всего в опыте было семь кубитов. Ученым удалось добиться вероятности совпадения квантовых состояний после телепортации в 80 процентов, что означает, что около половины информации перемешалась, а половина потерялась из-за необратимой декогеренции системы.

Изначальным толчком для разработки данного протокола были исследования по физике черных дыр, так как они могут обеспечивать очень эффективное квантовое перемешивание всей попавшей информации. С первого взгляда кажется, что информация об упавшем в черную дыру теле оказывается недоступна извне, а после испарения из-за излучения Хокинга она безвозвратно исчезает. Эту ситуацию называют информационным парадоксом черных дыр, хотя насчет не только его возможного решения, но и даже существования продолжаются дебаты в научной среде.

Согласно одному из подходов, попавшую в черную дыру информацию можно восстановить путем наблюдения квантовых корреляций в излучении Хокинга, а описанный в новой работе экспериментальный протокол как раз соответствует этому теоретическому сценарию. В таком случае «вход» соответствует упавшей в черную дыру информации, первая система — самой черной дыре, а «мишень» — излучению Хокинга. Таким образом, забросив в черную дыру запутанный кубит возможно получить информацию из-под горизонта событий. Тем не менее, эта аналогия опирается на ряд упрощений. В частности, черная дыра в этой модели является очень хорошим перемешивателем, что для реальных объектов может оказаться неверным.