¿Cómo la información cuántica puede ser importante para la física fundamental?

Parece que la Información Cuántica ha sido seriamente considerada como algo muy importante para la física fundamental y, en particular, para la gravedad cuántica.

Por ejemplo, este es el tema de las perspectivas de este año en física teórica . Así que vemos que parece que algunos nombres bastante importantes en la comunidad, que se centran principalmente en problemas puramente teóricos y fundamentales, como Witten y Susskind, se están tomando muy en serio la información cuántica en este sentido. La descripción del programa de este evento dice:

PiTP 2018 se titula "De Qubits al espacio-tiempo" y cubrirá temas que van desde las conexiones entre la información cuántica y la estructura del espacio-tiempo, hasta cómo la dinámica manipula la información y cómo se pueden incluir los efectos cuánticos en la termodinámica de los agujeros negros.

Ahora, por otro lado, cada vez que empiezo a mirarlo, parece ser lo contrario. Parece que el trato con Quantum Information tiene que ver con cómo producir una computadora cuántica. Entonces, al final, parece que el trato con la información cuántica no es exactamente "cómo se comporta la naturaleza fundamentalmente", sino "cómo podemos aprovechar el comportamiento cuántico de la naturaleza para crear tecnología".

Esto puede ser, por ejemplo, en algoritmos cuánticos , corrección de errores cuánticos , criptografía cuántica , etc. Entonces, como en la informática, esto parece tener la clara intención no de comprender la naturaleza en profundidad, sino de aprovecharla para crear tecnología. En particular, aquí se está tratando de usar las propiedades de los sistemas cuánticos para crear mejores computadoras.

Todo esto es bueno en sí mismo, pero no puedo ver cómo todo esto puede conectarse con la física fundamental hasta el punto de relacionarse con la gravedad cuántica, la teoría de cuerdas, etc. Quiero decir, ¿a qué naturaleza le importan los algoritmos, la corrección de errores y la criptografía? Estas son cosas que nos interesan a nosotros, los humanos, que queremos una mejor tecnología. No puedo imaginar por qué una fuerza fundamental de la naturaleza como la gravedad, en su forma más fundamental, estaría siquiera relacionada con estas cosas.

Entonces, la pregunta aquí es: si, por un lado, la información cuántica parece extremadamente ligada al desarrollo de tecnología en ciencias de la computación, ¿cómo puede ser tan importante como parece ser, en la comprensión de la física fundamental y, en particular, la gravedad cuántica y la cuerda? ¿teoría?

Editar: Quizás el OP no fue claro. No estoy preguntando cuál es la intención de la información cuántica. Estoy diciendo lo siguiente: si buscamos en la web sobre QI, en su mayoría encontramos cosas aplicadas dirigidas a las computadoras cuánticas. Algoritmos, códigos, etc. A la naturaleza no le importa si construimos o no computadoras. Entonces, ¿cómo pueden estas cosas (algoritmos, códigos, etc.) tener alguna relación con el funcionamiento fundamental de la naturaleza y, por ejemplo, con la naturaleza del espacio-tiempo (ver la cita anterior)? Esa es la pregunta objetiva. No digo que un campo no pueda tener una parte aplicada y otra teórica. Obviamente puede (que yo sepa, GR se ha utilizado en el desarrollo del GPS). Lo que no veo es dónde está la parte teórica de QI.

Las matemáticas también están extremadamente ligadas al desarrollo de tecnología en informática, al mismo tiempo que son importantes en la comprensión de la física fundamental. En realidad, es bastante común que los campos tengan componentes "puros" y "aplicados".
@probably_someone Estoy de acuerdo con esto. El punto de la pregunta es exactamente tratar de entender el componente "puro" como dices. Porque en matemáticas, el componente "puro" es evidente. Tenemos cosas como Geometría Diferencial, Topología algebraica y de conjuntos de puntos, tenemos Análisis Funcional, tenemos teorías de grupos de Lie y álgebra de Lie y el estudio de las representaciones asociadas, y todas ellas están totalmente separadas de las aplicaciones y su importancia. en física suele ser claro. En realidad, parece que algunos de estos campos se desarrollaron motivados por necesidades fundamentales de la física.
En primer lugar, si algo en matemáticas es importante en física, eso cuenta como una "aplicación" en la mayoría de las definiciones, por lo que no creo que el componente "puro" esté "totalmente separado de las aplicaciones", a menos que quiera decir algo diferente a la mayoría personas cuando usa las palabras "separado" y "aplicaciones". En segundo lugar, ¿por qué es menos intuitivo que la información cuántica se haya desarrollado de la misma manera que usted describe aquí?
Creo que nos referimos a dos cosas diferentes. No es una aplicación destinada a construir ningún tipo de tecnología al principio, sino simplemente para describir hechos sobre la naturaleza. Ejemplo: Grupos de mentiras que describen las propiedades de simetría continua de los sistemas. Si estudia la teoría de la representación del grupo de Poincaré para comprender los posibles estados de una partícula en QFT, claro, esto cuenta como una aplicación de la teoría del grupo de Lie, pero podemos estar de acuerdo en que esto seguramente no tiene nada que ver con la tecnología al principio (tecnología no es la intención detrás de esto). Por aplicado quiero decir: desarrollado desde el principio apuntando a la tecnología.
Lo veo menos intuitivo porque estas ramas de las matemáticas no se desarrollaron apuntando a la tecnología. La teoría general de la relatividad no se desarrolló apuntando a la tecnología, QFT no se desarrolló apuntando a la tecnología. Pero sí parece, que QI tiene como principal objetivo, el desarrollo de tecnología. Por lo tanto, aunque es un campo válido (la tecnología es ciertamente importante), no logro comprender cómo, al final, un campo centrado en cómo construir tecnología es importante para la física fundamental, que ciertamente es independiente de la tecnología o de las necesidades humanas.
Cada vez que hace preguntas sobre la "intención" de la investigación, rápidamente se encuentra con problemas. Un gran ejemplo de esto es la teoría de números. ¿Puede decirme cuáles de los artículos sobre teoría de números tenían como objetivo desarrollar la criptografía y cuáles tenían como objetivo describir cómo funcionan los números en la naturaleza? ¿Fue la conjetura de Birch-Swinnerton-Dyer "pura", porque su resultado existe independientemente de las implicaciones criptográficas, o fue "aplicada" porque fue concebida como una respuesta directa a la crítica de la criptografía de curva elíptica? De hecho, ¿las matemáticas realmente describen la naturaleza en primer lugar?
"No entiendo cómo, al final, un campo centrado en cómo construir tecnología es importante para la física fundamental": todo el campo de la física nuclear es un gran contraejemplo. Comprender el núcleo es importante para construir bombas y reactores, y ahí es donde se destinó la mayor parte del dinero inicial. Comprender el núcleo también es importante para comprender la QCD no perturbativa y realizar búsquedas de materia oscura.
¿Podría explicar cómo clasificaría la teoría de la computabilidad? Fue una consecuencia de la lógica y la teoría de conjuntos, pero sus resultados fueron muy útiles para desarrollar arquitecturas para nuevas tecnologías. La pregunta sobre qué funciones son computables, ya sea en general o con respecto a algún recurso (entropía, tiempo/complejidad espacial) parece ser tan "sobre la naturaleza del universo" como cualquier otro descubrimiento de "física fundamental". Además, la teoría de la complejidad en general es importante para la filosofía. Véase el artículo de Aaronson .
@ user1620696 Tengo entendido que todos los sistemas físicos, incluido nuestro universo o incluso los multiversos, deben construirse físicamente como un proceso de computación cuántica. Para un estado cuántico dado, debería haber un 'circuito cuántico' correspondiente para construirlo. La geometría espacial es solo la geometría del circuito cuántico para construir nuestro universo. QI proporciona una nueva perspectiva para comprender las leyes físicas tal como lo enfatizó Susskind, la computación está estrechamente relacionada con la física.
@user1620696 Creo que hay un malentendido al considerar QI como un área de investigación orientada a la tecnología. Para mí, la llamada 'segunda revolución cuántica' no es desarrollar nuevos dispositivos cuánticos, sino renovar nuestra perspectiva para comprender la física. Es decir, tomando todos los sistemas físicos como sistemas de cómputo, tal como dice el slogan de Wheeler, 'it from bits' o la versión actualizada 'it from qubits'. Todo es el resultado de la computación cuántica (como una red profunda). Por lo tanto, la computación cuántica, la red profunda, la física y la geometría están integradas.

Respuestas (2)

(Mi experiencia: no soy un físico fundamental ni un teórico de la información cuántica, aunque trabajo con algunos de estos últimos).

La teoría de la información es un marco para estudiar y caracterizar la aleatoriedad. En particular, la teoría de la información es buena para responder preguntas sobre variables aleatorias como "qué tan aleatorias" o qué tan fuertemente correlacionadas están las variables aleatorias. Resulta que tales propiedades a menudo se caracterizan por funcionales no lineales de la distribución de probabilidad, como la entropía, la información mutua, etc.

La teoría de la información cuántica es un marco para estudiar y caracterizar la aleatoriedad en la mecánica cuántica. Proporciona herramientas para responder preguntas como cuán fuertemente correlacionadas están dos partes de un sistema cuántico. Por lo general, tales propiedades están bien caracterizadas por funciones no lineales del operador de densidad, como la entropía (entrelazamiento), la información mutua, etc. /funciones de correlación, que son funciones lineales del operador de densidad.

En mi (necesariamente limitada) experiencia, los teóricos de la información cuántica a menudo están interesados ​​en cuestiones cinemáticas .naturaleza, por ejemplo, cómo clasificar los estados cuánticos de acuerdo con sus propiedades de entrelazamiento, o qué tipos de estados cuánticos se pueden transformar entre sí bajo restricciones muy generales como unitaridad, localidad, conservación de energía, etc., sin preocuparse por la dinámica detallada de tal transformación . Por otro lado, muchos físicos están profundamente preocupados por escribir el Lagrangiano real que describe la dinámica fundamental del Universo. En un sentido (discutible), la teoría de la información cuántica es "aún más fundamental" que este noble esfuerzo, ya que muchos de sus teoremas seguirán siendo aplicables incluso si algún día descubrimos un Lagrangiano mucho mejor que el Modelo Estándar. Sin embargo, sospecho que el aparente interésen la teoría de la información cuántica mostrada por ciertas personas que trabajan en la dinámica fundamental está más relacionada con cuestiones como la termodinámica del agujero negro , la entropía de entrelazamiento del vacío del campo cuántico , los estados de la red del tensor holográfico, etc.

(Mi experiencia: investigador en teoría de información cuántica, pero no realmente en trabajo "fundamental" como QI en teorías de campo).

Bueno, mi primera respuesta es que es importante entender de dónde viene la ciencia cuando examinas un campo. La ciencia es producida por científicos que trabajan y, naturalmente, hay más científicos que trabajan en campos que están más cerca de los campos "aplicados" porque alguien tiene que pagarles. Las empresas, las agencias de defensa e incluso las agencias de financiación de "investigación pura" favorecerán la investigación orientada hacia objetivos tecnológicos. Así que no se sorprenda de que ese sea el enfoque que está viendo en el campo.

Por otro lado, la pregunta es, ¿por qué la información cuántica daría alguna idea sobre cuestiones fundamentales? Creo que la razón principal es que la información cuántica a menudo tiene mucho que decir sobre cómo la dinámica microscópica se puede traducir en propiedades a gran escala de un sistema. Por ejemplo, mencionas la corrección de errores. La corrección de errores es, por supuesto, un campo tecnológicamente muy interesante. Pero también se trata, fundamentalmente, de tratar de aprender cómo un sistema cuántico puede evitar perder su naturaleza cuántica cuando se expone a interferencias o ruidos externos. Esa es una pregunta muy fundamental sobre cuán robusta es la naturaleza cuántica de la realidad, y puede enseñarnos qué efectos microscópicos pueden sobrevivir y sobrevivirán en el sistema en general.

¡Gracias por la respuesta! Entonces, su punto es: el hecho de que cuando busco información sobre QI termino encontrando muchas más cosas aplicadas que teóricas, es solo porque la cantidad de investigaciones en el campo aplicado es mayor, no porque QI en sí mismo es solo para aplicaciones.
Creo que es posible que deba definir qué quiere decir específicamente con "teórico" y "aplicado" antes de continuar.
@probablemente_alguien. Creo que la distinción es clara a partir de la pregunta. Solo lo edité para enfatizar la afirmación que realmente se hizo de que la información cuántica puede explicar la naturaleza del espacio-tiempo. Me parece bastante teórico.
@ user1620696 Quiero decir, gran parte del campo se desarrolla con aplicaciones de algún tipo en mente (aunque la investigación puede ser "teórica"/"básica"/"impulsada por la curiosidad" sin ser "fundamental" como en el espacio-tiempo y la gravedad ). Pero cuando lee la sección "Motivación" de los artículos, etc., obtiene la perspectiva del investigador sobre por qué hizo ese trabajo, no una exploración exhaustiva de cómo se podría aplicar ese trabajo.
También creo que estas categorías probablemente no resistan un escrutinio serio. Mucha ciencia fundamental resulta tener aplicaciones; mucha ciencia hecha con fines de aplicación produce conocimientos fundamentales.
¿Cómo la información cuántica puede ser importante para la física fundamental?
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