Фундаментальный предел скорости: ученые определили минимальное время обмена информацией во Вселенной

Коллектив физиков-теоретиков из Соединенных Штатов под научным руководством Амита Викрама (Мэрилендский университет) установил фундаментальное ограничение на быстродействие, с которым квантовые данные могут распространяться в сложных системах.

Результаты исследования, представленные в авторитетном научном издании Physical Review Letters, впервые математически обосновывают, что минимальная длительность этого процесса неразрывно сопряжена с температурными показателями и уровнем энтропии системы. Данный прорыв не только открывает новые горизонты в архитектуре перспективных квантовых компьютеров, но и обогащает научное сообщество инструментарием для глубокого анализа природы квантового хаоса и физики черных дыр.

В центре изысканий находится феномен «скремблинга» — механизма, при котором исходная информация, локализованная в отдельной частице, равномерно распределяется по всему квантовому ансамблю. Еще в 2008 году Ясухиро Секино и Леонард Сасскинд выдвинули гипотезу о существовании нижнего временного порога для подобного обмена. Идея зародилась в контексте изучения черных дыр: опираясь на теорию Стивена Хокинга, согласно которой они обладают температурой и энтропией, ученые представили их как гигантские хранилища кубитов. На протяжении многих лет попытки вывести точную математическую формулу этого «скоростного барьера» оставались лишь на уровне теоретических предположений.

Чтобы справиться с поставленной задачей, Амит Викрам и Виктор Галицкий опирались на фундаментальное соотношение неопределенностей «энергия-время». Согласно этому принципу, любому квантовому состоянию необходимо строго регламентированное время для трансформации, которое определяется энергетическими характеристиками системы. Синтезировав этот закон с современными методами математического моделирования, исследователи вывели универсальную формулу.

Было доказано, что предел скорости скремблинга является константой для любой квантовой системы вне зависимости от типа взаимодействий между частицами, что ранее считалось невыполнимым условием.

Практическая значимость этой работы значительно шире теоретических рамок. Понимание жестких временных границ, определяющих «оседание» информации в системе, критически важно для разработки устойчивых квантовых процессоров и технологий квантовой телепортации. Помимо этого, исследование проливает свет на механизмы возникновения тепловых эффектов в макромире из хаотичных квантовых процессов.

Теперь физики получили возможность с математической точностью определять момент, когда любая система — будь то цепочка кубитов в лаборатории или излучающая черная дыра — достигает своего абсолютного предела информационной пропускной способности.

Источник: iXBT