|
Идеальные часы невозможны
|
|
|
|
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 то, что операция квантового вычисления даст 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. 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, каждая находится в своем определенном месте, 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, опубликованной в журнале Physical. Обзорные письма. «Чтобы в конечном итоге достичь желаемого состояния, вращение должно применяться в течение очень определенного периода времени. В противном случае вы поворачиваете состояние либо слишком коротко, либо слишком далеко». 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, а прошлое — там, где энтропия 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 данного увеличения энтропии существует компромисс между временным разрешением и точностью», — говорит Флориан Мейер, первый автор второй статьи, которая теперь размещена на сервере препринтов arXiv. «Это означает: либо часы работают быстро, либо они работают точно — и то, и другое невозможно одновременно».
|
|
|
|
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 Хубер. «В настоящее время точность квантовых компьютеров все еще ограничена другими факторами, например, точностью используемых компонентов или электромагнитными полями. Но наши расчеты также показывают, что сегодня мы недалеко от того режима, в котором фундаментальные пределы измерения времени сыграть решающую роль». 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.
|
|
|
|
Источник
|
