كيف يمكن أن يكون المكان والزمان رمز تصحيح خطأ الكم

نفس الرموز المطلوبة لمنع الأخطاء في أجهزة الكمبيوتر الكمومية يمكن أن تعطي أنسجة وقت الفضاء قوتها الكامنة

في أكوان لعبة "التصوير المجسم" (حتى وإن لم يكن في حاضرنا) ، ينشأ نسيج الزمكان على أساس شبكة من الجزيئات الكمومية. اكتشف الفيزيائيون أن هذا يعمل على مبدأ تصحيح الخطأ الكمومي.

في عام 1994 ، قام عالم رياضيات من وحدة أبحاث AT&T يدعى بيتر شور بتمجيد أجهزة الكمبيوتر الكمومية على الفور ، واكتشف أن هذه الأجهزة الافتراضية يمكن أن تستخلص أعدادًا كبيرة بسرعة - وبالتالي تحطيم معظم التشفير الحديث. لكن المشكلة الأساسية تقف في طريق الخلق الحقيقي للمركبة الفضائية: عدم الاستقرار الطبيعي لمكوناتها المادية.

على عكس البتات الثنائية من معلومات أجهزة الكمبيوتر التقليدية ، تتألف البتات من جسيمات كمومية ، يحتمل أن تكون في واحدة من حالتين ، تشير إلى | 0> و | 1> ، في نفس الوقت. عندما تتفاعل qubits ، تصبح حالاتها المحتملة مترابطة ، وتعتمد فرص العثور على نفسها في الولايات | 0> و | 1> على بعضها البعض. تزداد الاحتمالات التناسبية ، وكلما زادت قوة كل عملية ، تتشابك البتات مع بعضها البعض. إن دعم وإدارة هذا العدد المتزايد بشكل متصاعد من القدرات المتزامنة يجعل المراكز المناخية قوية من الناحية النظرية.

ومع ذلك ، qubits هي عرضة للجنون خطأ. يؤدي أضعف المجال المغنطيسي أو نبض الميكروويف العشوائي إلى "رمي البتات" ، وتغيير فرصهم لتكون مساوية لـ | 0> أو | 1> بالنسبة إلى البتات الأخرى ، أو "تحويل المراحل" ، مما يعكس العلاقة الرياضية بين حالتهم. لكي تنجح المركبة الفضائية ، يحتاج العلماء إلى إيجاد طرق لحماية المعلومات حتى في حالة تلف وحدات البت الفردية. علاوة على ذلك ، يجب أن تكشف هذه الطرق عن الأخطاء وتصحيحها دون قياس البتات نفسها مباشرة ، لأن القياس يؤدي إلى انهيار قدرات التعايش مع البوصة إلى حقيقة معينة - ولا يمكن للحساب القديم 0 و 1 أن يدعم الحوسبة الكمومية.

في عام 1995 ، نشر شور ، بعد خوارزمية تحلله ، دليلًا آخر لافتًا للنظر حول وجود "رموز تصحح الأخطاء الكمومية". أثبت علماء الكمبيوتر دوريت آرونوفا ومايكل بن أهر (بالإضافة إلى باحثين مستقلين آخرين) بعد عام واحد أن هذه الأكواد يمكنها من الناحية النظرية رفع عدد الأخطاء إلى الصفر تقريبًا. وقال سكوت آرونسون ، عالم الكمبيوتر الكمومي الرائد في جامعة تكساس: "لقد كان اكتشافًا كبيرًا في التسعينيات من القرن الماضي أقنع الناس بأن الحوسبة الكمية القابلة للتطوير كانت ممكنة من حيث المبدأ". "وهذا هو أصعب تحد هندسي."


بيتر شور ، دوريت آرونوفا ومايكل بن أور

واليوم ، على الرغم من أن الشركات الصغيرة الحجم تتحقق في المختبرات في جميع أنحاء العالم ، إلا أنه يجب أن تنتظر QCs المفيدة التي يمكن أن تتفوق على الشركات العادية العادية بضع سنوات أخرى أو حتى عقود. هناك حاجة إلى رموز تصحيح الأخطاء أكثر فعالية من أجل التعامل مع العدد الكبير بشكل مشجع من الأخطاء الناتجة عن qubits الحقيقي. وقال آرونسون إن محاولات تطوير رموز محسّنة هي "واحدة من أهم القضايا في هذا المجال" ، إلى جانب تحسين الحديد.

ومع ذلك ، كجزء من البحث المستمر عن هذه الرموز على مدار الـ 25 عامًا الماضية ، حدث شيء مضحك في عام 2014 - لقد وجد الفيزيائيون دليلًا على الروابط العميقة بين تصحيح الأخطاء الكمومية وطبيعة المكان والزمان والجاذبية. في النظرية العامة للنسبية التي وضعها ألبرت أينشتاين ، يتم تعريف الجاذبية على أنها انحناء نسيج المكان والزمان - أو "الزمكان" - حول الأجسام الضخمة. تتحرك الكرة الملقاة في الهواء بخط مستقيم في الزمكان ، وهي تنحني بالفعل نحو الأرض. ومع ذلك ، على الرغم من القوة الكاملة لنظرية أينشتاين ، يعتقد الفيزيائيون أن الجاذبية يجب أن يكون لها أصل أعمق ، وكم ، ينشأ منه شيء مشابه لنسيج الزمكان.

في عام 2014 ، جاء ثلاثة باحثين شباب من الجاذبية الكمية إلى نتيجة مذهلة. لقد عملوا في مجال محبوب من قبل المنظرين: عالم الألعاب ، والمعروف باسم " الفضاء المضاد لليأس " ، والذي يعمل مثل الهولوغرام. ينشأ النسيج المنحني للزمان والمكان داخل الكون كإسقاط لجزيئات الكم المتشابكة الموجودة على حدوده الخارجية. أجرى أحمد الميري ، وسي دون ودانييل هارلو حسابات ، استخلص منها أن هذا "المظهر" المجسم للزمان والمكان يعمل تمامًا مثل رمز تصحيح الخطأ الكمومي. في مجلة فيزياء الطاقة العالية ، نشروا الافتراض بأن الزمكان نفسه رمز ، على الأقل في الفضاء المناهض لليأس. تولد العمل موجة من النشاط في مجتمع الباحثين في الجاذبية الكمومية ، واكتشفت رموز تصحيح أخطاء الكم الجديدة ، والتي تضمنت المزيد من خصائص الزمكان.

يقول جون بريسكيل ، الفيزيائي النظري في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا ، إن تصحيح الأخطاء الكمومية يفسر موثوقية الزمان والمكان ، على الرغم من نسجها من مادة كم هشة. وقال بريسكيل: "لا يتعين علينا التعامل مع هذه الفكرة بعناية فائقة حتى لا ندمر الشكل الهندسي". "أعتقد أن هذه العلاقة مع تصحيح الأخطاء الكمومية هي أعمق تفسير لكل ما لدينا."

كما بدأت لغة تصحيح الأخطاء الكمومية في السماح للباحثين بدراسة ألغاز الثقوب السوداء: وهي أقسام كروية يكون فيها الزمكان مثنيًا جدًا إلى الوسط بحيث لا يمكن للضوء حتى الخروج منه. وقال الميري ، الذي يعمل حاليًا في معهد برينستون للدراسات المتقدمة: "كل الآثار تؤدي إلى ثقوب سوداء". في هذه الأماكن المليئة بالمفارقات ، تصل الجاذبية إلى ذروتها ، وتتوقف نظرية النسبية العامة لأينشتاين عن العمل. وقال "هناك بعض الدلائل على أننا إذا فهمنا الكود الذي يستخدم الزمكان ، فهذا يمكن أن يساعدنا في فهم البنية الداخلية للثقوب السوداء".

على سبيل المكافأة ، يأمل الباحثون أن يقترح الفضاء المجسم أيضًا وسيلة لتوسيع نطاق المركبة الفضائية ، وتحقيق الحلم القديم لشور وآخرين. قال الميري: "الزمكان أكثر ذكاءً منا". "يتم تضمين رمز تصحيح خطأ فعال للغاية في هذه التصميمات."


أحمد الميري ، سي دونغ ودانييل هارلو

كيف تعمل رموز تصحيح الأخطاء الكمومية؟ يكمن سر تخزين المعلومات في وحدات البت المتعثرة في تخزينها ليس في وحدات تخزين منفصلة ، ولكن في نظام يحتوي على العديد من وحدات البت مربكة.

على سبيل المثال البسيط ، ضع في اعتبارك الكود الخاص بثلاثة وحدات بت: وهي تستخدم ثلاث وحدات بت "فعلية" لحماية واحد من البتات "المنطقي" للمعلومات من التقليب. لا يعد هذا الرمز مفيدًا بشكل خاص لتصحيح الخطأ الكمومي ، لأنه لا يحمي من انعكاس الطور ، ولكنه يؤدي وظيفة توضيحية. تتوافق حالة qubit المنطقية | 0> مع العثور على كل البتات الثلاثة المادية في الحالة | 0> ، والحالة | 1> تتوافق مع حقيقة أن الثلاثة جميعهم في الحالة | 1>. النظام في تراكب هذه الحالات ، وهو مكتوب كـ | 000> + | 111>. ولكن ، دعنا نقول ، أن أحد المكعبات فاز قليلاً. كيفية اكتشاف وتصحيح خطأ دون قياس الببتات مباشرة؟

يمكن إدخال qubit في دارة كمومية عبر بوابتين. واحد يتحقق من "التكافؤ" من البتات المادية الأولى والثانية - هي نفسها أو مختلفة - والآخر يتحقق من التكافؤ بين الأول والثالث. عند عدم وجود أخطاء (أي ، تكون وحدات البت في الحالة | 000> + | 111>) ، تحدد بوابات التكافؤ أن البتتين الأول والثاني ، وكذلك الأول والثالث متطابقان. ومع ذلك ، إذا تم إلقاء بعض الشيء بطريق الخطأ عند أول عدد صحيح ، فهذا يؤدي إلى الحالة | 100> + | 011> ، وتحدد البوابة الفرق في كلا الزوجين. يعطي نقل البت في الكابتة الثانية | 010> + | 101> ، تحدد العبّارات أن البتتين الأولى والثانية مختلفة ، ويتزامن الثاني والثالث ؛ في حالة نقل البادئة الثالثة ، ستكون النتيجة "متزامنة ؛ تختلف ". تُظهر هذه النتائج الفريدة العملية الجراحية التصحيحية اللازمة وما إذا كانت ضرورية على الإطلاق - أي تشغيل التقليب مرة أخرى في الجسم البدني الأول أو الثاني أو الثالث ، الأمر الذي لا يؤدي إلى انهيار qubit المنطقي. قال الميري: "يبدو لي تصحيح الخطأ الكمومي سحرياً".

يمكن لرموز التصحيح الأفضل عادة استرداد جميع المعلومات المشفرة استنادًا إلى وحدات البت الفعلية أكثر قليلاً من النصف ، حتى إذا كانت جميع الرموز الأخرى تالفة. هذا هو ما دفع الميري ودون وهارلو في عام 204 إلى التفكير في العلاقة المحتملة بين تصحيح الخطأ الكمّي وكيف ينشأ الفضاء المضاد (AdS) من التشابك الكمي.

من المهم أن نلاحظ أن مساحة AdS تختلف عن هندسة الزمكان الخاصة بمساحة اليأس لدينا. إن عالمنا مشبع بالطاقة الفراغية الإيجابية ، مما يجبره على التوسع دون حدود ، بينما في الفضاء المخصص للإعلان ، تكون طاقة الفراغ سالبة ، بسبب اكتسابها لهندسة زائدية تشبه "M. - Escher" Limit - Circle ". مخلوقات الفسيفساء من Escher تصبح أصغر ، وتنتشر من وسط الدائرة ، وتختفي في النهاية في المحيط. بنفس الطريقة ، فإن البعد المكاني المنبثق من مركز إعلانات الفضاء يتم ضغطه باستمرار ويختفي في النهاية ، مما يشير إلى الحدود الخارجية للكون. أصبحت مساحة AdS شائعة لدى الفيزيائيين النظريين الذين يدرسون الجاذبية الكمومية في عام 1997 ، بعد أن اكتشف الفيزيائي الشهير خوان مالداسينا أن نسيجه الزماني المنحني "مزدوج المجسم" لنظرية الكم للجسيمات الموجودة على حدود خالية من الجاذبية ومع قياسات أقل.


تصور الهندسة الزائدية على نقش Escher عام 1959 "Limit - Circle III" مساحة AdS

عند دراسة كيفية عمل الازدواجية ، مثل المئات من علماء الفيزياء الآخرين على مدار العقدين الماضيين ، لاحظ الميري وزملاؤه أنه يمكن إنشاء أي نقطة داخل مساحة AdS على أساس أكثر من نصف الحدود - تمامًا مثل رمز تصحيح الأخطاء الكمومي الأمثل.

في عملهم ، الذي يوحي بأن تصحيح الزمن المجسم وتصحيح الخطأ الكمومي هما نفس الشيء ، وصفوا كيف يمكن تمثيل أبسط الكود على أنه صورة ثلاثية الأبعاد ثنائية الأبعاد. يتكون من ثلاثة " kutrits " - الجزيئات الموجودة في واحدة من ثلاث حالات - تقع على مسافات متساوية عن بعضها البعض في دائرة. يقوم الثلاثي المتشابك من cutrites بتشفير cutrit منطقي واحد ، يقابل نقطة واحدة في الفضاء في مركز الدائرة. يحمي الكود النقطة من محو أي من العناصر الثلاثة.

بالطبع ، هناك نقطة واحدة هي الكون. في عام 2015 ، اكتشف Harlow و Preskil و Fernando Pastavsky و Beni Yoshida رمزًا ثلاثي الأبعاد آخر يدعى HaPPY ، والذي يستحوذ على المزيد من خصائص مساحة AdS. يقول باتريك هايدن من جامعة ستانفورد ، مدير الأبحاث ، إن الكود يقسم المساحة إلى بلاطات من خمسة جوانب "مثل القطع الصغيرة لمصمم Tinkertoy ". كل التفاصيل يمثل نقطة واحدة في الزمكان. وقال هايدن "هذه البلاط ستلعب دور الأسماك في فسيفساء ايشر".

في كود HaPPY وغيره من مخططات تصحيح الأخطاء الثلاثية الأبعاد المفتوحة ، يمكن إعادة إنشاء كل شيء داخل منطقة فضاء تدعى إسفين التشابك من qubits الموجودة في منطقة مجاورة للحدود. وقال هايدن إن الأوتاد الملتوية سيتم تثبيتها في مناطق متداخلة على الحدود ، تمامًا كما يمكن إعادة إنشاء البادئة المنطقية في مركبة فضائية من العديد من المجموعات الفرعية المختلفة من البتات المادية. "وهنا تأتي ميزة إصلاح الأخطاء".

"تصحيح الخطأ الكمي يعطينا فكرة عامة عن الهندسة في هذه اللغة الكود" ، وقال Preskil. وقال إن اللغة نفسها "يمكن تطبيقها على الأرجح على مواقف أكثر عمومية" ، لا سيما على عالم يائس مثلنا. لكن اتضح أن مساحة Desitter ، التي لا حدود لها ، يصعب تخيلها في صورة الهولوغرام.

حتى الآن ، يعمل باحثون مثل ألميري ، وهارلو ، وهايدن مع مساحة الإعلانات ، نظرًا لوجود العديد من أوجه التشابه مع عالم Desitter ، إلا أنه من الأسهل دراستها. تطغى الأشكال الهندسية الزمانية لكلا المكانين على نظرية آينشتاين ؛ فهي ببساطة تنحني في اتجاهات مختلفة. والذي قد يكون أكثر أهمية بكثير ، هناك ثقوب سوداء في أكوان كلا النوعين. وقال هارلو ، وهو الآن أستاذ مشارك في الفيزياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: "أهم خاصية أساسية للجاذبية هي وجود ثقوب سوداء". هذا هو ما يميز الجاذبية عن كل التفاعلات الأخرى. لذلك ، مع الجاذبية الكمية من الصعب جدا ".

قدمت لغة تصحيح الأخطاء الكمومية طريقة جديدة لوصف الثقوب السوداء. وقال هايدن إن وجود ثقب أسود يعرف بأنه "فشل في الإصلاح": "عندما يكون لديك الكثير من الأخطاء التي لم تعد تستطيع تتبع ما يحدث في الكثير من الزمان والمكان ، فأنت تأتي إلى ثقب أسود. إنه شيء يشبه استنزاف الجهل ".

الجهل يتراكم حتما فيما يتعلق الدواخل من الثقوب السوداء. كشف ستيفن هوكينج عام 1974 عن أن المواد BH تشع الحرارة وبالتالي ، تتبخر عاجلاً أم آجلاً ، مما أدى إلى "مفارقة معلومات الثقب الأسود" سيئة السمعة التي تسأل عما يحدث مع كل معلومات BH التي تم ابتلاعها. قد تكون هذه المشكلة متعلقة بعلم الكونيات وميلاد الكون ، لأن توسع Big Bang التفرد يشبه إلى حد بعيد الانهيار الجاذبية لـ BH في التكاثر العكسي.



تعمل مساحة الإعلانات على تبسيط مسألة المعلومات. نظرًا لأن حدود إعلانات ADS للكون مزدوجة بشكل ثلاثي الأبعاد لكل ما تحتويه - لجميع BHs وغيرها من الأشياء - فإن المعلومات التي تقع في BHs ليست مضمونة الضياع ؛ سيكون دائمًا ترميزًا ثلاثي الأبعاد على حدود الكون. تُظهر الحسابات أنه من أجل إعادة بناء المعلومات المتعلقة بالديكورات الداخلية للثقب الأسود بناءً على البتات الموجودة على الحدود ، ستحتاج إلى الوصول إلى البتات المتشابكة عند حوالي ثلاثة أرباع الحدود. وقال الميري "أكثر من النصف بقليل لا يكفي". وأضاف أن الطلب على ثلاثة أرباع ينبغي أن يقدم شيئًا مهمًا حول الجاذبية الكمية ، لكن السؤال عن سبب الحصول على هذا الكسر "ما زال مفتوحًا".

في أول تطبيق لميري من عام 2012 ، قام الفيزيائي الرفيع طويل القامة من الإمارات العربية المتحدة وشركاؤه الثلاثة بتعميق مفارقة المعلومات. اقترح تفكيرهم أن المعلومات قد لا تدخل داخل البوسنة والهرسك على الإطلاق ، لأن "جدار الحماية" في أفق أحداث البوسنة والهرسك سيوقفها.

مثل معظم علماء الفيزياء ، لا يعتقد Almiri أن جدران الحماية BH موجودة بالفعل ، لكن تبين أنه من الصعب تجاوز هذا المفهوم. الآن يعتقد أن تشكيل الجدران النارية يعوقه تصحيح الخطأ الكمومي ، الذي يحمي المعلومات حتى بعد عبور أفق البوسنة والهرسك. في آخر أعماله المستقلة ، التي ظهرت في أكتوبر ، قال إن تصحيح الخطأ الكمومي "ضروري للحفاظ على سلاسة الزمان والمكان في الأفق" لثقب أسود مكون من عنصرين ، يُعرف باسم الثقب. وهو يشير إلى أن تصحيح الخطأ الكمومي لا يمنع جدران الحماية فحسب ، بل يسمح أيضًا للبيتات بالهروب من الثقب الأسود بعد السقوط فيه ، لأن خيوط التشابك بين الأجزاء الداخلية والخارجية من الثقب الأسود تشبه نفسها الثقوب الدودية المصغرة. وهذا يفسر مفارقة هوكينج.

هذا العام ، خصصت وزارة الدفاع التمويل لدراسة المجسم - الزمكان ، ولا سيما لأن التقدم في هذا المجال قد يؤدي إلى ظهور أكواد تصحيح خطأ أكثر كفاءة لأجهزة الكمبيوتر الكمومية.

لا يزال يتعين على الفيزياء معرفة ما إذا كان من الممكن وصف عالم Desitter ، على سبيل المثال ، عالمنا ، باستخدام صورة ثلاثية الأبعاد ومن حيث qubits والرموز. وقال آرونسون: "كل هذه العلاقة معروفة لعالم ليس من الواضح أنه عالمنا".في عمل من العام الماضي ، اتخذ دون ، الذي يعمل الآن في جامعة كاليفورنيا في سانتا باربرا ، والمؤلفين المشاركين إيفا سيلفرشتاين وجونزالو توروبا ، خطوة في اتجاه اليأس ، في محاولة لإنشاء وصف ثلاثي الأبعاد بدائية. لا يزال الباحثون يدرسون هذا الاقتراح ، لكن بريسكيل يعتقد أن لغة تصحيح الخطأ الكمي ستظل تنتقل إلى وقت حقيقي.

"في الواقع ، يتم عقد الفضاء في تعقيد" ، قال. - إذا كنت ترغب في خياطة وقت الفراغ من قطع صغيرة ، فيجب الخلط بينها. وسيكون من الصواب القيام بذلك عن طريق إنشاء رمز تصحيح الأخطاء الكمومية. "