In een nieuwe studie van Skoltech en de Universiteit van Kentucky, onderzoekers hebben een nieuw verband gevonden tussen kwantuminformatie en kwantumveldentheorie. Dit werk getuigt van de groeiende rol van de kwantuminformatietheorie op verschillende gebieden van de natuurkunde. Het artikel is gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

Kwantuminformatie speelt een steeds belangrijkere rol als organiserend principe dat verschillende takken van de natuurkunde met elkaar verbindt. Vooral, de theorie van kwantumfoutcorrectie, waarin wordt beschreven hoe informatie in kwantumcomputers en andere complexe op elkaar inwerkende systemen kan worden beschermd en hersteld, is een van de bouwstenen geworden van het moderne begrip van kwantumzwaartekracht.

"Normaal gesproken, informatie die is opgeslagen in fysieke systemen is gelokaliseerd. Zeggen, een computerbestand neemt een bepaald klein deel van de harde schijf in beslag. Met "fout" bedoelen we elke onvoorziene of ongewenste interactie die informatie over een uitgebreid gebied vervormt. In ons voorbeeld, stukjes van het computerbestand zouden verspreid zijn over verschillende delen van de harde schijf. Foutcorrectiecodes zijn wiskundige protocollen die het mogelijk maken om deze stukjes samen te verzamelen om de originele informatie te herstellen. Ze worden veel gebruikt in gegevensopslag- en communicatiesystemen. Kwantumfoutcorrectiecodes spelen een vergelijkbare rol in gevallen waarin de kwantumaard van het fysieke systeem belangrijk is, " Anatoly Dymarsky, Universitair hoofddocent bij het Skoltech Center for Energy Science and Technology (CEST), verklaart.

In een nogal onverwachte wending, wetenschappers realiseerden zich niet zo lang geleden dat kwantumzwaartekracht - de theorie die de kwantumdynamica van ruimte en tijd beschrijft - vergelijkbare wiskundige protocollen gebruikt om informatie uit te wisselen tussen verschillende delen van de ruimte. "De plaats van informatie binnen de kwantumzwaartekracht blijft een van de weinige open fundamentele problemen in de theoretische fysica. Dat is de reden waarom het verschijnen van goed bestudeerde wiskundige structuren zoals kwantumfoutcorrectiecodes intrigerend is, " merkt Dymarsky op. Toch werd de rol van codes alleen schematisch begrepen, en het expliciete mechanisme achter de plaats van informatie blijft ongrijpbaar.

In hun nieuwe krant hij en zijn collega Alfred Shapere van de afdeling Natuur- en Sterrenkunde van de Universiteit van Kentucky, een nieuwe verbinding tot stand brengen tussen kwantumfoutcorrigerende codes en tweedimensionale conforme veldtheorieën. De laatste beschrijven interacties van kwantumdeeltjes en zijn standaard theoretische hulpmiddelen geworden om veel verschillende verschijnselen te beschrijven, van fundamentele elementaire deeltjes tot quasi-deeltjes die opduiken in kwantummaterialen, zoals grafeen. Sommige van deze conforme veldtheorieën beschrijven ook kwantumzwaartekracht via holografische correspondentie.

"Nu hebben we een nieuwe speeltuin om de rol van kwantumfoutcorrigerende codes in de context van de kwantumveldentheorie te bestuderen. We hopen dat dit een eerste stap is om te begrijpen hoe de plaats van informatie eigenlijk werkt, en wat schuilt er achter al deze mooie wiskunde, ’ besluit Dymarsky.