Квантовый дарвинизм подтвердили с помощью моделирования

Физики смоделировали распространение квантовой информации из кубита в окружающею среду и выяснили, что последняя возвращает информацию о состоянии системы обратно, демонстрируя при этом немарковость процесса, сопряженную с избыточным кодированием информации. Такой исход моделирования ученые связали с проявлением так называемого квантового дарвинизма — теории, согласно которой внешний мир предопределяет ограниченный набор проекций состояния открытой квантовой системы. Своими результатами исследователи поделились в журнале Physical Review A.

С момента возникновения квантовой механики до сих пор считается неоконченной дискуссия о ее полноте и обусловленности, начатая еще Нильсом Бором и Альбертом Эйнштейном в середине 1920-х. В попытке разрешить эти противоречия ученые позже выдвинули экзотическую теорию квантового дарвинизма, суть которой заключается в том, что система из огромного количества возможных квантовых состояний переходит к ограниченному набору проекций из-за непрерывного взаимодействия с окружающим миром, а не по причине наличия стороннего наблюдателя. Слово «дарвинизм» в названии гипотезы отсылает на схожесть с теорией эволюции Чарльза Дарвина и сводится к тому, что под влиянием внешней среды остаются только те проекции квантовых состояний, которые предсказывает классическая физика в макроскопическом мире.

Само явление взаимодействия квантовой системы с внешней средой физикам давно известно и носит название декогеренции, с которой исследователи активно сражаются, чтобы увеличить время стабильной работы кубитов и эффективность квантовых вычислений. Однако исследований, которые физики посвятили непосредственно распространению квантовой информации в окружающей среде, на данный момент существует не так много.

Таиза Мендонса (Taysa Mendonça) из Университета Сан-Паулу совместно с коллегами из Бразилии, Великобритании и Италии использовали численное моделирование для того, чтобы изучить поток информации из квантовой системы в окружающую среду конечного размера. В качестве модели системы с единственным кубитом физики использовали спин углерода из группы CH₂ молекулы адамантана (C₁₀H₁₆), помещенный в сильное статическое магнитное поле, а сам кубит ученые связали с окружающей средой, состоящей из двух линейных цепочек по N кубит в каждой. Физики исследовали динамику этой модели во времени, так как известно, что система, связанная со средой с конечными степенями свободы, может демонстрировать немарковское поведение. Чтобы понять, как информация о состоянии системы путешествует во внешнем мире, ученые измерили квантовый аналог критерия согласия Колмогорова — так называемое расстояние следа, которое послужило метрикой на пространстве матриц плотности и обозначило меру различимости между двумя квантовыми состояниями.

В результате моделирования расстояние следа продемонстрировало немонотонность во времени, что, в свою очередь, стало свидетельством немарковости процесса передачи информации. Исследователи также заметили, что квантовая информация из начального кубита системы распространилась по цепочке кубитов окружающей среды и вернулась обратно, а сам процесс прямого и обратного обмена квантовой информацией с окружающей средой оказался квазипериодическим. При этом ученые выяснили, что поток информации прекратился, как только началась эволюция первоначальной квантовой системы. Благодаря этому физики установили качественную связь между немарковостью динамики квантовой системы и явлением избыточного кодирования информации, которое лежит в основе принципов квантового дарвинизма и косвенно подтверждает эту теорию.

Авторы работы отметили, что смоделированный ими процесс и полученные в результате данные должны продвинуть вперед исследования, связанные с распространением квантовой информации из открытой системы во внешнюю среду.

О том, что такое когерентность и декогеренция простыми словами мы писали ранее в нашем материале «Квантовая азбука: „Когерентность“».