Квантовый барьер: ученые доказали, что универсальная очистка от шумов в запутанных состояниях невозможна - New-Science.ru
15 мая 2025, 00:00
В царстве квантовых технологий, где такие странные и тонкие явления, как запутывание, составляют основу футуристических вычислений и безопасных коммуникаций, существует одна досадная проблема: шум. В новом исследовании ученые из Чикагского университета и компании Microsoft выявили фундаментальные ограничения на то, насколько эффективно можно "очистить" квантовые системы от шума окружающей среды. Это открытие может помочь определить будущее практических квантовых сетей. Исследование, недавно опубликованное в журнале Physical Review Letters, решает давнюю проблему: возможно ли разработать единый протокол, способный очистить запутанные квантовые состояния, независимо от конкретных несовершенств или шумов, которые эти состояния могли подхватить. Результаты исследования показали, что на фундаментальном уровне ни один универсальный протокол не может устранить шум из запутанных состояний. Вместо этого стратегии уменьшения шума должны быть адаптированы к конкретным характеристикам каждой квантовой системы. " В квантовой информации мы часто надеемся на протокол, который работает во всех сценариях — своего рода панацею", — сказал в пресс-релизе соавтор исследования и профессор молекулярной инженерии Чикагского университета доктор Тянь Чжун. " Этот результат показывает, что когда речь идет об очистке запутанности, это просто слишком хорошо, чтобы быть правдой". Квантовая запутанность, которую Эйнштейн назвал "жутким действием на расстоянии", лежит в основе многого из того, чего ученые надеются достичь с помощью квантовых компьютеров, квантовой связи и квантового интернета. Однако поддержание высокого качества запутанных состояний, как известно, дело непростое. Помехи окружающей среды и несовершенство устройств ухудшают точность запутывания, ставя под угрозу производительность квантовых устройств. Хотя существуют такие методы, как квантовое исправление ошибок, в настоящее время они слишком ресурсоемки для технологий ближайшего будущего. Именно здесь на помощь приходит очистка запутанности. Протоколы очистки пытаются взять несколько несовершенных (зашумленных) запутанных состояний и выделить из них меньшее количество более чистых состояний с более сильными корреляциями. Заметно менее требовательные, чем полная коррекция ошибок, эти методы рассматриваются как практический путь к созданию высокоточных запутанных связей в крупномасштабных квантовых сетях. Однако до сих пор исследователи не были уверены, что универсальный метод очистки — тот, который работает в каждом случае, независимо от конкретных ошибок — вообще теоретически возможен. По мнению исследователей из Чикагского университета и компании Microsoft, ответ на этот вопрос отрицательный. Команда доказала "теорему о невозможности", используя сложные математические инструменты для так называемых универсальных монотонных протоколов очистки, не зависящих от входных данных. Проще говоря, они показали, что ни один протокол с локальной операцией и классической связью (LOCC) не может одновременно гарантировать улучшение для всех возможных двухкубитных запутанных состояний. Это открытие закрывает важный открытый вопрос в квантовой теории информации. Тем не менее, выводы не были полностью пессимистичными. Команда обнаружила, что если расширить набор инструментов очистки за пределы LOCC, включив в него операции, сохраняющие положительную частичную транспонированность (PPT), универсальная очистка становится возможной — но только для состояний с точностью запутанности выше 50%. Эти операции выходят за рамки того, что физически возможно реализовать с помощью нынешних технологий, но дают теоретический план того, что может быть создано в будущем. Исследование также предостерегает от того, чтобы полагаться на существующие методы. Широко используемый протокол очистки DEJMPS хорошо работает для определенных структурированных зашумленных состояний, но, как показано в данной работе, даже сложные схемы билокальной очистки запутанности Клиффорда (biCEP) не могут достичь универсальности. Ученые доказали, что даже когда входные состояния предварительно упорядочены по точности или даже когда для помощи предоставляются дополнительные идеальные состояния Белла, билинейные клиффордовские схемы не превосходят простейшего решения — отбрасывания более зашумленных состояний и сохранения только лучшей пары. Эта работа дает важные указания для следующего этапа разработки квантовых сетей. Поскольку будущие технологии приближаются к глобальному квантовому интернету — идее, которую активно продвигали такие пионеры квантовой физики, как Х. Дж. Кимбл, — практические методы работы с неидентичными, зашумленными, запутанными состояниями станут критически важными. Полученные результаты означают, что любая архитектура, нацеленная на реализацию квантовых ретрансляторов первого поколения или распределенных квантовых компьютеров, должна планировать значительные затраты ресурсов, особенно в случае непредсказуемого изменения характера ошибок. Авторы предлагают несколько различных направлений для дальнейшей работы. Могут ли аналогичные ограничения быть установлены для более сложных многочастичных состояний запутанности или более высокоразмерных кубитных систем? Может быть, до сих пор неизвестны универсальные методы очистки за пределами билокальных схем Клиффорда, которые позволяют обойти найденные здесь ограничения? Также остается неясным, могут ли определенные подходы, основанные на симметрии, помочь преодолеть операционный разрыв между достижимыми схемами PPT и тем, что позволяет LOCC. Команда также отметила, что высокоструктурированные или смещенные модели шума (характерные для некоторых аппаратных платформ, таких как нейтральные атомы или "кошачьи" кубиты) по-прежнему лучше поддаются существующим методам очистки. Хотя универсальность может быть недостижима, остается надежда, что целенаправленная очистка, адаптированная к конкретным шумовым ландшафтам, все же сможет обеспечить почти оптимальную производительность, не требуя полной характеристики состояния. " Важно подчеркнуть, что мы не утверждаем, будто протоколы очистки не работают", — отметил соавтор работы, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники д-р Эрик Читамбар. " Но ни один метод не работает во всех случаях". " Этот результат говорит нам о том, что не стоит тратить время на поиск несуществующего протокола, а лучше уделить больше внимания пониманию уникальных характеристик конкретных квантовых систем", — добавил соавтор и директор по управлению продуктами Microsoft доктор Мартин Сухара.