Ученые создали на квантовом компьютере модель "невозможной" вселенной

МОСКВА, 15 фев — РИА Новости. Ученые из России и Финляндии использовали квантовый компьютер для исследования малоизученной области физики — неэрмитовой квантовой механики, впервые продемонстрировав новые возможности квантового моделирования, позволяющие проверить на практике смелые математические идеи, противоречащие классическим правилам физики. Результаты исследования опубликованы в журнале Communications Physics.

Правила квантовой физики, которые определяют поведение очень малых объектов, используют математические операторы, называемые эрмитовыми гамильтонианами. Эрмитовы операторы используются в квантовой физике уже почти 100 лет, но недавно теоретики осознали, что можно расширить ее фундаментальные уравнения, используя операторы, которые не являются эрмитовыми, то есть действующими с нарушением симметрии четности и времени, или PT-симметрии.

Новые уравнения описывают вселенную со своими собственными правилами: например, глядя в зеркало и меняя направление времени, можно увидеть ту же версию себя, что и в реальном мире. Однако, существующие вычислительные мощности до сих пор не позволяли создать модель такой вселенной.

Исследователи из Университета Аалто в Финляндии и Артем Мельников из МФТИ впервые смоделировали с помощью квантового компьютера IBM игрушечную вселенную, которая ведет себя в соответствии с этими новыми правилами. Для этого они заставили кубиты — элементы квантового компьютера, которые отвечают за вычисления — вести себя в соответствии с новыми правилами неэрмитовой квантовой механики.

На выходе авторы получили несколько захватывающих результатов. Во-первых, оказалось, что применение подобных операций к кубитам приводило к потере квантовой информации — явлению, аналогичному гипотетическому парадоксу исчезновения информации в черной дыре, предложенному Стивеном Хокингом и не имеющему объяснений в рамках стандартной квантовой механики.

Второй захватывающий результат был получен, когда авторы экспериментировали с двумя запутанными кубитами. Запутанность — это тип корреляции, которая возникает между кубитами, как если бы они испытывали волшебную связь, которая заставляет каждый из них синхронизироваться с каждым.

Известно, что Эйнштейну очень не нравилась концепция запутанности, он называл ее "жутким действием на расстоянии". В рамках обычной квантовой физики невозможно изменить степень сцепления между двумя частицами, вмешиваясь только в одну из них. Однако в неэрмитовой квантовой механике исследователи смогли изменить уровень запутанности кубитов, манипулируя только одним из них, и получили результат, который запрещен в обычной квантовой физике.

"Самое интересное в этих результатах состоит в том, что квантовые компьютеры сейчас достаточно развиты, чтобы начать использовать их для проверки нетрадиционных идей, которые до сих пор были только математическими, — приводятся в пресс-релизе Университета Аалто слова руководителя исследования доцента Сорина Параоану (Sorin Paraoanu). — В данной работе "жуткие действия на расстоянии" становятся еще более пугающими. И хотя мы очень хорошо понимаем, что происходит, это вызывает у нас дрожь".

Несмотря на то, что исследование чисто теоретическое, у него есть потенциальные практические приложения, считают авторы. В частности, в последнее время были получены несколько новых оптических и микроволновых устройств, которые, похоже, ведут себя в соответствии с новыми правилами. Настоящая работа открывает путь к моделированию этих устройств на квантовых компьютерах.