Работа предлагает лучшее описание того, как быстро информация может перемещаться в системе, построенной из квантовых частиц, таких как группа отдельных атомов. Инженерам необходимо знать это, чтобы создавать квантовые компьютеры, которые будут иметь совершенно разные конструкции и смогут решать определенные проблемы намного легче, чем современные компьютеры. Хотя новое открытие не дает точной скорости передачи информации в этих еще не построенных компьютерах (давний вопрос), оно накладывает гораздо более жесткие ограничения на то, где может быть этот предел скорости.Квантовые компьютеры будут хранить данные в квантовых состояниях частицы, одним из которых является ее спин, свойство, придающее магнетизм.
Квантовый процессор может подвешивать множество частиц в космосе в непосредственной близости, а вычисления будут включать перемещение данных от частицы к частице. Так же, как один магнит влияет на другой, спин одной частицы влияет на спин соседа, делая возможной передачу квантовых данных, но большой вопрос заключается в том, насколько быстро это влияние может работать.Выводы команды NIST продвигают направление исследований, которое восходит к 1970-м годам, когда ученые обнаружили предел скорости распространения информации, если только взвешенная частица могла напрямую общаться со своими ближайшими соседями. С тех пор технология продвинулась до такой степени, что ученые могли исследовать, может ли частица напрямую влиять на другие, более далекие, — потенциальное преимущество.
К 2005 году теоретические исследования, основанные на этой идее, резко повысили ограничение скорости.«Эти результаты предполагали, что квантовый компьютер может работать очень быстро, намного быстрее, чем кто-либо мог подумать», — говорит Майкл Фосс-Фейг из NIST. «Но в течение следующего десятилетия никто не видел никаких доказательств того, что информация действительно может распространяться так быстро».
Физики, изучающие этот аспект квантового мира, часто выстраивают в ряд несколько частиц и наблюдают, как быстро изменение спина первой частицы влияет на самую дальнюю по линии — это немного похоже на то, как поставить ряд домино и сбить первую, чтобы увидеть как быстро протекает цепная реакция. Команда изучила многолетние исследования, проведенные другими, и, поскольку домино, казалось, никогда не падала так быстро, как предполагалось в предсказании 2005 года, они разработали новое математическое доказательство, которое показывает гораздо более жесткий предел скорости распространения квантовой информации.
«Чем жестче ограничения, тем лучше, потому что это означает, что у нас будут более реалистичные ожидания относительно того, на что способны квантовые компьютеры», — говорит Фосс-Фейг.Предел, как показывают их доказательства, намного ближе к ограничениям скорости, предложенным результатом 1970-х годов.Доказательство касается скорости, с которой запутанность распространяется по квантовым системам. Запутанность — странная связь квантовой информации между двумя удаленными частицами — важна, потому что чем быстрее частицы запутываются друг с другом, тем быстрее они могут обмениваться данными.
Результаты 2005 года показали, что даже если сила взаимодействия быстро спадает с расстоянием, по мере роста системы время, необходимое для распространения запутанности через нее, увеличивается только логарифмически с ее размером, подразумевая, что система может запутаться очень быстро. Однако работа группы показывает, что время распространения растет пропорционально его размеру, а это означает, что, хотя квантовые компьютеры могут решать проблемы, которые обычные компьютеры находят чертовски сложными, их процессоры не будут демонами скорости.
«С другой стороны, результаты говорят нам кое-что важное о том, как работает запутанность», — говорит Фосс-Фейг. «Они могут помочь нам понять, как более эффективно моделировать квантовые системы».