تحقیقات جدید، ارتباط شگفت‌انگیزی را بین گرانش کوانتومی و کدهای تصحیح خطای کوانتومی تقریبی (AQEC) آشکار می‌کند. این کشف، بینش‌های بالقوه‌ای را در مورد فضا-زمان، گرانش و آشتی مکانیک کوانتومی با نسبیت عام ارائه می‌دهد. این پژوهش، دریچه‌ای جدید به سوی درک گرانش کوانتومی از طریق تصحیح خطای کوانتومی تقریبی می‌گشاید.
محاسبات کوانتومی از قدرت مکانیک کوانتومی استفاده می‌کند و کیوبیت‌ها را قادر می‌سازد عملیاتی فراتر از رایانه‌های کلاسیک انجام دهند. با این حال، کیوبیت‌ها به دلیل زمان همدوسی محدودشان، شکننده و مستعد نویز و از دست دادن اطلاعات هستند. برخلاف محاسبات کلاسیک، که در آن خطاها از طریق افزونگی ساده تصحیح می‌شوند، تصحیح خطای کوانتومی به دلیل قضیه عدم شبیه‌سازی، که کپی مستقیم از حالت‌های کوانتومی را منع می‌کند، به استراتژی‌های پیچیده‌تری نیاز دارد. AQEC با هدف بازگرداندن کیوبیت‌ها به حالتی تقریباً بی‌نقص، با فدا کردن دقت مطلق برای بهبود عملکرد، رویکرد کارآمدتری را ارائه می‌دهد.
درک کدهای AQEC برای پیشرفت محاسبات کوانتومی بسیار مهم است. یکی از چالش‌های کلیدی، تمایز بین کدهای AQEC مؤثر (غیربدیهی) از کدهای بی‌اثر (بدیهی) است. به طور معمول، افزودن کیوبیت‌های اضافی برای محافظت در برابر نویز تصادفی، بدیهی تلقی می‌شود، زیرا اساساً تصحیح خطا را بهبود نمی‌بخشد. بنابراین سوال این می‌شود: چه چیزی کدهای AQEC واقعاً مفید را از این رویکردهای ساده متمایز می‌کند؟ و آیا یک اصل جهانی بر این تمایز حاکم است؟
محققان با معرفی یک پارامتر جدید، واریانس زیرسیستم، که نوسان زیرسیستم‌ها را در فضای کد کمی می‌کند، به این چالش پرداخته‌اند. این پارامتر، اثربخشی کدهای AQEC را به پیچیدگی مدار کوانتومی، مفهومی حیاتی در علوم کامپیوتر و فیزیک، مرتبط می‌کند. پیچیدگی مدار نشان دهنده هزینه بهینه یک فرآیند محاسباتی است که اغلب با حداقل زمان یا منابع مورد نیاز برای آماده‌سازی یک حالت کوانتومی اندازه‌گیری می‌شود. در اصل، این سوال مطرح می‌شود: اتصال کیوبیت‌ها و ایجاد حالت‌های کوانتومی لازم برای یک محاسبه معین چقدر طول می‌کشد؟
این تحقیق یک آستانه بحرانی را آشکار می‌کند: اگر واریانس زیرسیستم به زیر سطح معینی برسد، کد غیربدیهی در نظر گرفته می‌شود و به حداقل پیچیدگی مدار پایبند است. این آستانه، مستقل از ساختار خاص سیستم، یک چارچوب جهانی برای ارزیابی کدهای AQEC و بررسی طرح‌های تصحیح خطای قوی‌تر که برای رایانه‌های کوانتومی قابل اعتماد حیاتی هستند، ارائه می‌دهد.
فراتر از محاسبات کوانتومی، این کشف پیامدهای شگفت‌انگیزی برای سایر حوزه‌های فیزیک دارد. آستانه بین کدهای AQEC بدیهی و غیربدیهی در سناریوهای مختلف فیزیکی ظاهر می‌شود و نشان دهنده ارتباط اساسی با قوانین طبیعی است. یک مثال در مطالعه نظم توپولوژیکی در فیزیک ماده چگال نهفته است، جایی که شرایط درهم‌تنیدگی و ویژگی‌های کد، این سیستم‌ها را توصیف می‌کنند. درهم‌تنیدگی دوربرد، یک شرط پیچیدگی مدار، و آنتروپی درهم‌تنیدگی توپولوژیکی، که میزان درهم‌تنیدگی را کمی می‌کند، از ویژگی‌های کلیدی هستند. چارچوب جدید، رابطه بین این شرایط درهم‌تنیدگی و نظم کوانتومی توپولوژیکی را روشن می‌کند و بینش عمیق‌تری در مورد این حالت‌های عجیب ماده ارائه می‌دهد.
شاید عمیق‌ترین پیامد در تلاش برای آشتی دادن مکانیک کوانتومی با نظریه نسبیت عام اینشتین نهفته باشد. در حالی که مکانیک کوانتومی قلمرو میکروسکوپی را اداره می‌کند، نسبیت عام، گرانش و فضا-زمان را در مقیاس کیهانی توصیف می‌کند. این دو سنگ بنای فیزیک مدرن در تقاطع‌های خاصی، به ویژه هنگام اعمال مکانیک کوانتومی بر سیستم‌هایی با گرانش قوی، با هم برخورد می‌کنند.
تطابق AdS/CFT، یک چارچوب ریاضی که در دهه ۱۹۹۰ توسعه یافت، راهی برای مطالعه گرانش کوانتومی با استفاده از نظریه میدان همدیس (CFT) ارائه می‌دهد، حتی اگر CFT به صراحت گرانش را در بر نگیرد. نحوه کدگذاری اطلاعات کوانتومی در CFT از نظر مفهومی به تصحیح خطای کوانتومی مربوط می‌شود و این ارتباطات، پیشرفت‌های اخیر در درک ما از گرانش کوانتومی را تقویت کرده است.
با بررسی سیستم‌های CFT در انرژی‌های پایین و شناسایی پیوندها بین ویژگی‌های کد و ویژگی‌های ذاتی CFT، محققان دریافتند که کدهای CFT که از آستانه AQEC فراتر می‌روند، می‌توانند به طور بالقوه تقارن‌های خاصی را در گرانش کوانتومی بررسی کنند. این بینش‌ها از کدهای AQEC می‌تواند به رویکردهای جدیدی برای فضا-زمان و گرانش منجر شود و به طور بالقوه شکاف بین مکانیک کوانتومی و نسبیت عام را پر کند.
در حالی که این تحقیق جهش قابل توجهی به جلو ارائه می‌دهد، سوالات مهمی باقی می‌ماند. ماهیت کدهای نزدیک به مرز بدیهی/غیربدیهی نیاز به بررسی بیشتر دارد. تحقیقات آینده، سناریوهایی را بررسی خواهد کرد که در آن کدهای AQEC ممکن است از کدهای دقیق بهتر عمل کنند و هدف آن تثبیت پیامدهای گرانش کوانتومی است. این مطالعه مسیرهای هیجان‌انگیزی را برای بررسی کاربردهای AQEC در سیستم‌های مختلف فیزیکی و ارتقای درک ما از فیزیک بنیادی باز می‌کند.
اگر به خواندن کامل این مطلب علاقه‌مندید، روی لینک مقابل کلیک کنید: physicsworld.com
