量子计算机中的扰乱演示展示了如何复活“丢失”的信息

物理学家使用七比特量子计算机来模拟黑洞内信息的加扰,预示着未来可能会使用纠缠量子比特来探测这些奇异物体的神秘内部。

当物质在黑洞内消失时,会发生扰乱。关于这个问题的信息 - 所有成分的身份,直到其最基本粒子的能量和动量 - 与其他所有物质和信息混杂地混合在一起,似乎使得无法检索。

这导致了所谓的“黑洞信息悖论”,因为量子力学说即使信息在黑洞内消失,信息也不会丢失。

因此,虽然一些物理学家声称通过黑洞事件视界的信息永远丢失,但其他人认为这些信息可以重建,但只能在等待过多的时间之后 - 直到黑洞缩小到接近一半原来的大小。黑洞因为它们发出霍金辐射而缩小,霍金辐射是由黑洞边缘的量子力学波动引起的,并以已故物理学家斯蒂芬霍金的名字命名。

不幸的是,一个黑洞,我们太阳的质量将需要大约1067年才能蒸发 - 远远超过宇宙的年龄。

但是,这个黑洞还有一个漏洞 - 或者更确切地说是一个虫洞。通过测量黑洞和它发出的霍金辐射之间的细微纠缠,可以显着更快地检索这种信息。

两个信息量 - 如量子计算机中的量子比特或量子比特 - 当它们如此紧密地联系在一起时,它们的量子态自动确定另一个的状态,无论它们有多远,都会被纠缠在一起。物理学家有时将此称为“远处的怪异行为”,并且纠缠量子位的测量可以导致量子信息从一个量子比特“传送”到另一个量子比特。

加州大学伯克利分校物理学助理教授诺曼·姚说:“人们可以通过对这些即将离任的霍金光子进行大量的量子计算来恢复掉入黑洞的信息。”“预计这将是非常非常困难的,但如果要相信量子力学,它原则上应该是可能的。这正是我们在这里所做的,但对于一个微小的三量子位”黑洞“七比特量子计算机。“

通过将纠缠的量子比特投入黑洞并查询新出现的霍金辐射,理论上可以确定黑洞内的量子比特状态,为深渊提供一个窗口。

姚明和他在马里兰大学的同事和加拿大安大略省滑铁卢的周界理论物理研究所将在3月6日出版的“自然”杂志上发表一篇论文报告他们的研究结果。

隐形传输

姚明有兴趣了解量子混沌的本质,他从朋友和同事周边研究所的理论家Beni Yoshida那里得知,如果信息在黑洞内快速加速,那么恢复量子信息会陷入黑洞。在整个黑洞中混合得越彻底,通过远距传送可以更可靠地获取信息。基于这种见解,吉田和姚明去年提出了一项实验,以证明在量子计算机上加扰。

“根据我们的协议,如果你测量足够高的传送保真度,那么你可以保证在量子电路中发生加扰,”姚说。“那么,我们就打电话给我的好友,Chris Monroe。”

Monroe是马里兰大学帕克分校的物理学家,负责领导世界领先的离子量子信息集团之一,他决定尝试一下。他的小组实施了吉田和姚明提出的协议,并有效地测量了一个无时间有序的相关函数。

称为OTOC,这些特殊的相关函数是通过比较两个量子态来创建的,这两个量子态在应用某些踢或扰动的时间上有所不同。关键是能够及时向前和向后演变量子状态,以了解第二次踢球对第一次踢球的影响。

Monroe的小组在7比特陷阱离子量子计算机内的三个量子位上创建了一个加扰量子电路,并描述了OTOC的衰减。虽然OTOC的衰变通常被视为已经发生扰乱的强烈迹象,但是为了证明他们必须证明OTOC不会因为退相干而简单地衰减 - 也就是说,它不仅仅是保护不良外界的噪音,也会导致量子态分崩离析。

Yao和Yoshida证明,他们可以更准确地检索纠缠或传送的信息,他们可以更严格地对OTOC中发生的加扰量设置下限。

梦露和他的同事测量了约80%的隐形传送保真度,这意味着可能有一半的量子态被扰乱,而另一半则被退相干衰减。然而,这足以证明在这个三量子比特量子电路中确实发生过真正的加扰。

“我们的协议的一个可能的应用是与量子计算机的基准测试有关,其中一个人可能能够使用这种技术来诊断量子处理器中更复杂的噪声和退相干形式,”姚说。

姚明还与Irfan Siddiqi领导的加州大学伯克利分校合作,展示了在不同量子系统中的扰乱,超导qutrits:具有三个而不是两个状态的量子比特。加州大学伯克利分校物理学教授西迪奇也领导劳伦斯伯克利国家实验室的研究,以建立一个先进的量子计算试验台。

“从本质上讲,这是一个量子比特或qutrit实验,但事实上我们可以将它与宇宙学联系起来,因为我们相信量子信息的动态是相同的,”他说。“美国正在推出一项价值数十亿美元的量子计划,理解量子信息的动态将这项计划的许多研究领域联系起来:量子电路和计算,高能物理,黑洞动力学,凝聚态物理和原子,分子和光学物理学。量子信息的语言对我们理解所有这些不同的系统已经变得无处不在。“

除了Yao,Yoshida和Monroe之外,其他合着者还有加州大学伯克利分校的研究生T. Schuster和KA Landsman,C。Figgatt和马里兰州联合量子研究所的NM Linke。这项工作得到了能源部和国家科学基金会的支持。