Fiziķi izlabojām kvantu teoriju: kāpēc tas ir svarīgi 0 70

Fiziķiem izdevies novērst ilgi pastāvošu matemātisku problēmu vienā no kvantu informācijas teorijas svarīgākajām teoremām — vispārinātajā Šteina kvantu lemā. Šī teorema ir pamats mūsdienu priekšstatiem par to, kā atšķirt kvantu stāvokļus un kā «kvantu resursi» var tikt savstarpēji pārveidoti. Darbs publicēts žurnālā Nature Physics.

Kvantu informācijas teorija pēta datu glabāšanas un apstrādes veidus sistēmās, kas pakļautas kvantu mehānikas likumiem. Šajā virzienā attīstās tā dēvētās resursu teorijas — formalizējums, kas apraksta, kādas pārveides ir iespējamas, ja atļauts tikai ierobežots darbību kopums. Viens no šīs jomas stūrakmeņiem ir vispārinātā Šteina kvantu lema, formulēta 2008. gadā un aprakstoša, cik efektīvi var atšķirt vienu kvantu stāvokli no alternatīvu stāvokļu kopas.

Pirms dažiem gadiem pētnieki atklāja, ka sākotnējā teoremas pierādījumā pastāv loģiska plaisa. Tas lika apšaubīt daudzu darbu pareizību, kuri izmantoja šo rezultātu. Mēģinājumi aizpildīt plaisu veikti arī agrāk, taču visi tie izrādījās nepilnīgi.

Tagad jaunā raksta autoriem izdevies stingri atjaunot pierādījumu, ieviešot papildu matemātiskus argumentus un novēršot apstrīdamos pieņēmumus. Viņi norāda, ka tas ļauj atkal izmantot Šteina lemu kā uzticamu instrumentu kvantu informācijas teorijā.

«Vispārinātā kvantu Šteina lema ir apgalvojums par kvantu hipotēzes galējām iespējām. Problēma bija tajā, ka iepriekšējais pierādījums neņēma vērā visus nepieciešamos nosacījumus alternatīvajai stāvokļu kopai», — norādīja viens no darba autoriem.

Pētījuma gaitā zinātnieki parādīja, ka kvantu resursu pārveides pakļaujas universālam likumam, līdzīgam otrajam termodinamikas likumam. Tas nozīmē, ka dažādus kvantu resursus var salīdzināt un pārvērst vienotām noteiksmēm, balstoties uz šo pārveidojumu ātrumu.

«Faktiski mums izdevās atkārtoti nostiprināt «otrais likums» kvantu resursu teorijām», — norādīja pētnieki.

Pēc viņu teiktā, rezultāts ir svarīgs ne tikai fundamentālajai fizikai, bet arī praktiskiem uzdevumiem: tas sniedz drošāku matemātisko pamatu kvantu datoru un citu kvantu ierīču iespēju novērtēšanai.

Turpmāk autori plāno attīstīt šo pieeju, lai aprakstītu tā sauktos dinamiskos kvantu resursus — procesus un operācijas, ne tikai stāvokļus. Tas var palīdzēt labāk izprast kvantu sistēmu vadības robežas un pietuvināt efektīvāku kvantu tehnoloģiju izveidi.