Среда, 21 февраля, 2024
ДомойФизикаЭнтропия времени: загадка часов, ограничивающая будущее квантовых вычислений

Энтропия времени: загадка часов, ограничивающая будущее квантовых вычислений

- Advertisement -

Квантовые компьютеры требуют точного измерения времени для управления квантовыми состояниями, но новые исследования выявили фундаментальное ограничение: часы не могут одновременно достичь идеального разрешения и точности из-за их конечной энергии и генерации энтропии. Это накладывает внутренние ограничения на возможности квантовых вычислений. По мере развития квантовых технологий решение этих проблем измерения времени станет критически важным, что, возможно, приведет к новым открытиям в квантовой механике.

Квантовые вычисления становятся все более доступными для выполнения вычислений. Однако исследования показывают, что существуют присущие ограничения, особенно связанные с качеством используемых часов.

Существуют разные идеи о том, как можно построить квантовые компьютеры. Но у них всех есть одна общая черта: вы используете квантовую физическую систему — например, отдельные атомы — и меняете их состояние, подвергая их воздействию очень конкретных сил в течение определенного времени. Однако это означает, что для того, чтобы иметь возможность полагаться на квантовые вычисления Если операция дает правильный результат, вам нужны как можно более точные часы.

Но здесь возникают проблемы: идеальное измерение времени невозможно. У каждых часов есть два фундаментальных свойства: определенная точность и определенное временное разрешение. Временное разрешение показывает, насколько малы временные интервалы, которые можно измерить, т. е. насколько быстро тикают часы. Точность показывает, какую неточность следует ожидать при каждом отдельном тике.

Исследовательская группа смогла показать, что, поскольку никакие часы не обладают бесконечным количеством доступной энергии (или не генерируют бесконечное количество энтропии), они никогда не могут иметь идеальное разрешение и идеальную точность одновременно. Это устанавливает фундаментальные ограничения на возможности квантовых компьютеров.

Шаги квантовых вычислений подобны вращениям.

В нашем классическом мире совершенные арифметические операции не являются проблемой. Например, вы можете использовать счеты, в которых деревянные шарики нанизываются на палку и перемещаются вперед и назад. Деревянные бусины имеют четкие состояния, и каждая находится в очень определенном месте, и если вы ничего не сделаете, бусина останется именно там, где была.

И то, быстро или медленно вы двигаете бисеринку, на результат не влияет. Но в квантовой физике все сложнее.

«С математической точки зрения, изменение квантового состояния в квантовом компьютере соответствует вращению в высших измерениях», — говорит Джейк Сюреб из Атомного института Венского технологического университета в команде Маркуса Хубера и первого автора первой статьи. «Чтобы в конечном итоге достичь желаемого состояния, ротацию необходимо применять в течение очень конкретного периода времени. В противном случае вы поворачиваете состояние либо слишком коротко, либо слишком далеко».

Энтропия: время делает все более и более запутанным

Маркус Хубер и его команда в целом исследовали, какие законы всегда должны применяться к любым мыслимым часам. «Измерение времени всегда связано с энтропией», — объясняет Маркус Хубер. В каждой замкнутой физической системе энтропия возрастает и она становится все более неупорядоченной. Именно это развитие определяет направление времени: будущее — там, где энтропия выше, прошлое — там, где энтропия была еще ниже.

Как можно показать, каждое измерение времени неизбежно связано с увеличением энтропии: часам, например, нужна батарея, энергия которой в конечном итоге преобразуется в теплоту трения и слышимое тиканье посредством механики часов – процесс, в котором возникает довольно упорядоченное состояние, батарея переходит в довольно неупорядоченное состояние теплового излучения и звука.

На этой основе исследовательская группа смогла создать математическую модель, которой должны подчиняться практически все мыслимые часы. «Для заданного увеличения энтропии существует компромисс между временным разрешением и точностью», — говорит Флориан Мейер, первый автор второй статьи. «Это означает: либо часы работают быстро, либо они работают точно – и то, и другое невозможно одновременно».

Ограничения для квантовых компьютеров

Это осознание теперь влечет за собой естественный предел для квантовых компьютеров: разрешение и точность, которых можно достичь с помощью часов, ограничивают скорость и надежность, которых можно достичь с помощью квантовых компьютеров. «На данный момент это не проблема», — говорит Маркус Хубер. «В настоящее время точность Развитие квантовых компьютеров по-прежнему ограничено другими факторами, например, точностью используемых компонентов или электромагнитными полями. Но наши расчеты также показывают, что сегодня мы недалеко от режима, в котором решающую роль играют фундаментальные пределы измерения времени».

Поэтому при дальнейшем совершенствовании технологии квантовой обработки информации неизбежно придется столкнуться с проблемой неоптимального измерения времени. Но кто знает: возможно, именно так мы сможем узнать что-то интересное о квантовом мире.

Ссылка: «Влияние несовершенного хронометража на квантовый контроль», Джейк Сюреб, Пол Эркер, Флориан Мейер, Марк Т. Митчисон и Маркус Хубер, 20 октября 2023 г., Письма о физических отзывах.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.160204.

Исходная ссылка

- Advertisement -

Популярное по теме