Насколько квантовая информация может быть важна для фундаментальной физики?

Похоже, что квантовая информация всерьез рассматривалась как нечто очень важное для фундаментальной физики и, в частности, для квантовой гравитации.

Например, это тема перспектив этого года в теоретической физике . Таким образом, мы видим, что некоторые довольно громкие имена в сообществе, которые в основном сосредоточены на чисто теоретических и фундаментальных проблемах, такие как Виттен и Сасскинд, довольно серьезно относятся к квантовой информации. В программном описании этого мероприятия говорится:

PiTP 2018 называется «От кубитов к пространству-времени» и будет охватывать самые разные темы: от связей между квантовой информацией и структурой пространства-времени до того, как информация обрабатывается динамикой и как квантовые эффекты могут быть включены в термодинамику черной дыры.

Теперь, с другой стороны, каждый раз, когда я начинаю смотреть на это, кажется, что все наоборот. Похоже, что сделка с Quantum Information заключается в том, как создать квантовый компьютер. Так что, в конце концов, кажется, что дело с квантовой информацией заключается не столько в том, «как природа ведет себя фундаментально», сколько в том, «как мы можем использовать квантовое поведение природы для создания технологий».

Это может быть, например, в квантовых алгоритмах , квантовой коррекции ошибок , квантовой криптографии и так далее. Таким образом, как и в случае с компьютерными науками, у них явное намерение не очень глубоко понять природу, а скорее использовать ее для создания технологий. В частности, здесь пытаются использовать свойства квантовых систем для создания более совершенных компьютеров.

Все это прекрасно само по себе, но я не понимаю, как все это может быть связано с фундаментальной физикой настолько, чтобы быть связанным с квантовой гравитацией, теорией струн и так далее. Я имею в виду, какое дело природе до алгоритмов, исправления ошибок и криптографии? Это то, что представляет интерес для нас, людей, которым нужны более совершенные технологии. Я не могу себе представить, почему фундаментальная сила природы, такая как гравитация, в ее наиболее фундаментальной форме, вообще может быть связана с этими вещами.

Так вот вопрос: если, с одной стороны, квантовая информация кажется чрезвычайно привязанной к развитию технологий в компьютерных науках, то как она может быть столь важной, как кажется, в понимании фундаментальной физики и, в частности, квантовой гравитации и струнных теория?

Изменить: возможно, ОП не был ясен. Я не спрашиваю, какова цель квантовой информации. Я говорю следующее: если мы ищем в Интернете информацию о КИ, то в основном находим прикладные вещи, нацеленные на квантовые компьютеры. Алгоритмы, коды и прочее. Природе все равно, строим мы компьютеры или нет. Так как же эти вещи (алгоритмы, коды и т. д.) могут иметь хоть какое-то отношение к фундаментальным механизмам природы и, например, к природе пространства-времени (см. цитату выше)? Это объективный вопрос. Я не говорю, что в области не может быть прикладной и теоретической частей. Очевидно, что может (насколько я знаю, GR использовался при разработке GPS). Чего я не вижу, так это того, где находится теоретическая часть QI.

Математика также тесно связана с развитием технологий в компьютерных науках, а также играет важную роль в понимании фундаментальной физики. На самом деле довольно часто поля имеют как «чистые», так и «прикладные» компоненты.
@probably_someone Я согласен с этим. Суть вопроса как раз в том, чтобы понять «чистый» компонент, как вы говорите. Потому что в математике «чистый» компонент очевиден. У нас есть такие вещи, как дифференциальная геометрия, точечная и алгебраическая топология, у нас есть функциональный анализ, у нас есть теории групп Ли и алгебры Ли и изучение связанных с ними представлений, и все они полностью отделены от приложений и их важности. в физике обычно понятно. На самом деле кажется, что некоторые из этих областей развивались под влиянием потребностей фундаментальной физики.
Во-первых, если что-то в математике важно для физики, это считается «приложением» в большинстве определений, поэтому я не думаю, что «чистый» компонент «полностью отделен от приложений», если только вы не имеете в виду нечто иное, чем большинство определений. людей, когда вы используете слова «отдельно» и «приложения». Во-вторых, почему менее интуитивно понятно, что квантовая информация могла развиваться таким же образом, как вы здесь описываете?
Я думаю, что мы имеем в виду две разные вещи. Это не одно приложение, изначально предназначенное для создания каких-либо технологий, а исключительно для описания фактов о природе. Пример: группы Ли, описывающие свойства непрерывной симметрии систем. Если вы изучите теорию представлений группы Пуанкаре, чтобы понять возможные одночастичные состояния в КТП, конечно, это будет считаться применением теории групп Ли, но мы можем согласиться, что это, безусловно, не имеет ничего общего с технологией на первый взгляд (технология это не намерение позади него). Под прикладным я подразумеваю: разработанное с самого начала с прицелом на технологию.
Я вижу это менее интуитивным, потому что эти разделы математики не были разработаны с прицелом на технологии. Общая теория относительности разрабатывалась не с прицелом на технологию, КТП не разрабатывалась с прицелом на технологию. Но похоже , что основной целью QI является развитие технологий. Таким образом, хотя это действующая область (технология, безусловно, важна), я не могу понять, как, в конце концов, область, сосредоточенная на том, как создавать технологии, важна для фундаментальной физики, которая, безусловно, не зависит ни от технологий, ни от человеческих потребностей.
Всякий раз, когда вы задаете вопросы о «намерениях» исследования, вы быстро сталкиваетесь с проблемами. Отличным примером этого является теория чисел. Не могли бы вы сказать мне, какие из статей по теории чисел были направлены на развитие криптографии, а какие — на описание того, как числа работают в природе? Была ли гипотеза Берча-Суиннертона-Дайера «чистой», потому что ее результат существует независимо от криптографических следствий, или она была «прикладной», потому что была задумана как прямой ответ на критику криптографии на эллиптических кривых? Если уж на то пошло, действительно ли математика вообще описывает природу?
«Я не понимаю, как, в конце концов, область, сосредоточенная на том, как создавать технологии, важна для фундаментальной физики» — вся область ядерной физики является отличным контрпримером. Понимание ядра важно для создания бомб и реакторов, и именно на это ушла большая часть первоначальных денег. Понимание ядра также важно для понимания непертурбативной КХД и поиска темной материи.
Не могли бы вы объяснить, как бы вы классифицировали, скажем, теорию вычислимости? Это был продукт логики и теории множеств, но его результаты оказались очень полезными для разработки архитектур для новых технологий. Вопрос о том, какие функции вычислимы либо вообще, либо по отношению к некоторому ресурсу (энтропия, время/пространственная сложность), похоже, касается «природы Вселенной», как и любое другое открытие «фундаментальной физики». Кроме того, теория сложности в целом важна для философии. См. статью Ааронсона .
@user1620696 user1620696 Насколько я понимаю, все физические системы, включая нашу вселенную или даже мультивселенную, должны быть построены физически как процесс квантовых вычислений. Для данного квантового состояния должна существовать соответствующая «квантовая схема» для его построения. Космическая геометрия — это всего лишь геометрия квантовой схемы, по которой построена наша Вселенная. QI обеспечивает новую перспективу для понимания физических законов, как подчеркивал Сасскинд, вычисления тесно связаны с физикой.
@user1620696 user1620696 Я думаю, что существует неправильное понимание QI как области исследований, ориентированной на технологии. Для меня так называемая «вторая квантовая революция» заключается не в разработке новых квантовых устройств, а в обновлении нашего взгляда на понимание физики. То есть, принимая все физические системы за вычислительные системы, в соответствии с лозунгом Уиллера, «это из битов» или обновленную версию «это из кубитов». Все является результатом квантовых вычислений (как глубокая сеть). Таким образом, квантовые вычисления/глубокая сеть/физика/геометрия интегрированы.

Ответы (2)

(Мой опыт: я не фундаментальный физик и не теоретик квантовой информации, хотя я работаю с некоторыми из последних.)

Теория информации — это основа для изучения и описания случайности. В частности, теория информации хорошо отвечает на вопросы о случайных величинах, такие как «насколько случайны» или насколько сильно коррелированы случайные величины. Оказывается, такие свойства часто характеризуются нелинейными функционалами распределения вероятностей, такими как энтропия, взаимная информация и т.п.

Квантовая теория информации — это основа для изучения и описания случайности в квантовой механике. Он предоставляет инструменты для ответа на такие вопросы, как, например, насколько сильно коррелированы две части квантовой системы. Обычно такие свойства хорошо описываются нелинейными функциями оператора плотности, такими как энтропия (запутанность), взаимная информация и т. д. Это сильно отличается от обычной повестки дня физиков (фундаментальных или иных), которые обычно интересуются наблюдаемыми. /корреляционные функции, являющиеся линейными функциями оператора плотности.

По моему (неизбежно ограниченному) опыту, теоретики квантовой информации часто интересуются вопросами кинематики .природы, например, как классифицировать квантовые состояния в соответствии с их свойствами запутанности или какие типы квантовых состояний могут быть преобразованы друг в друга при очень общих ограничениях, таких как унитарность, локальность, сохранение энергии и т. д., не беспокоясь о подробной динамике такого преобразования. . С другой стороны, многие физики глубоко заинтересованы в том, чтобы записать фактический лагранжиан, описывающий фундаментальную динамику Вселенной. В одном (спорном) смысле квантовая теория информации является «даже более фундаментальной», чем это благородное предприятие, поскольку многие из ее теорем останутся применимыми, даже если однажды мы найдем гораздо лучший лагранжиан, чем Стандартная модель. Однако я подозреваю, что явный интересв квантовой теории информации, показанной некоторыми людьми, работающими над фундаментальной динамикой, больше связано с такими вопросами, как термодинамика черной дыры , энтропия запутанности вакуума квантового поля , состояния голографической тензорной сети и т. д .

(Мой опыт: исследователь в области теории квантовой информации, но не в «фундаментальной» работе, такой как КИ в теории поля.)

Что ж, мой первый ответ заключается в том, что важно понимать, откуда берется наука, когда вы исследуете область. Наука создается работающими учеными, и, естественно, больше работающих ученых работает в областях, которые ближе к «прикладным», потому что кто-то должен им платить. Компании, оборонные агентства и даже агентства, финансирующие «чистые исследования», будут отдавать предпочтение исследованиям, ориентированным на технологические цели. Так что не удивляйтесь, что вы видите именно это в поле.

С другой стороны, вопрос в том, почему квантовая информация дает какое-то понимание фундаментальных вопросов? Я думаю, главная причина в том, что квантовая информация часто может многое сказать о том, как микроскопическая динамика может быть переведена в крупномасштабные свойства системы. Например, вы поднимаете вопрос об исправлении ошибок. Исправление ошибок, конечно, очень интересная с технологической точки зрения область. Но это также, по сути, попытка узнать, как квантовая система может избежать потери своей квантовой природы при воздействии внешнего шума или помех. Это очень фундаментальный вопрос о том, насколько устойчива квантовая природа реальности, и он может научить нас тому, какие микроскопические эффекты могут и будут сохраняться в системе в целом.

Спасибо за ответ! Итак, ваша точка зрения такова: тот факт, что когда я ищу информацию о QI, я в конечном итоге нахожу гораздо больше прикладных вещей, чем теоретических, только потому, что количество исследований в прикладной области больше, а не потому, что сам QI предназначен только для приложений?
Я думаю, вам, возможно, потребуется определить, что конкретно вы подразумеваете под «теоретическим» и «прикладным», прежде чем мы продолжим.
@вероятно_кто-то. Я думаю, что различие ясно из вопроса. Я просто отредактировал его, чтобы подчеркнуть действительно сделанное утверждение о том, что квантовая информация может объяснить природу пространства-времени. Кажется достаточно теоретическим для меня.
@ user1620696 Я имею в виду, что большая часть области разрабатывается с учетом каких-либо приложений (хотя исследования могут быть «теоретическими» / «базовыми» / «любопытными», но не «фундаментальными», как в случае с пространством-временем и гравитацией ). Но когда вы читаете раздел статей «Мотивация» и т. д., вы получаете точку зрения исследователя на то, почему они проделали эту работу, а не исчерпывающее исследование того, как еще можно применить эту работу.
Я также думаю, что эти категории, вероятно, не выдерживают серьезной проверки. Оказывается, у многих фундаментальных наук есть приложения; многие научные исследования, выполненные в прикладных целях, позволяют сделать фундаментальные выводы.
Насколько квантовая информация может быть важна для фундаментальной физики?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v