_ Noua abordare concentrată poate ajuta la descurcarea problemelor dezordonate cuantice

Lumea este un loc aglomerat, zgomotos, iar capacitatea de a te concentra eficient este o abilitate valoroasa. De exemplu, la o petrecere plină de viață, zgomotul tacâmurilor, conversațiile, muzica, zgârierea etichetei cămășii și aproape orice altceva trebuie să treacă în fundal pentru ca tu să te concentrezi pe găsirea fețelor familiare sau să-i oferi persoanei de lângă tine atenție nedivizată.

În mod similar, natura și experimentele sunt pline de distrageri și interacțiuni neglijabile, așa că oamenii de știință trebuie să își concentreze atenția în mod deliberat asupra surselor de informații utile. De exemplu, temperatura petrecerii aglomerate este rezultatul energiei transportate de fiecare moleculă din aer, al curenților de aer, al moleculelor din aer care captează căldură pe măsură ce răsare de oaspeți și al numeroaselor alte interacțiuni.

Dar dacă doriți doar să măsurați cât de cald este camera, este mai bine să utilizați un termometru care vă va oferi temperatura medie a particulelor din apropiere, decât să încercați să detectați și să urmăriți tot ce se întâmplă de la nivel atomic în sus. Câteva caracteristici bine alese, cum ar fi temperatura și presiunea, sunt adesea cheia pentru a înțelege un fenomen complex.

Este deosebit de valoros pentru cercetători să își concentreze atenția atunci când lucrează la fizica cuantică. Oamenii de știință au demonstrat că mecanica cuantică descrie cu acuratețe particulele mici și interacțiunile lor, dar detaliile devin adesea copleșitoare atunci când cercetătorii iau în considerare multe particule cuantice care interacționează.

Aplicarea regulilor fizicii cuantice la doar câteva zeci de particule este adesea mai mult decât orice fizician – chiar și folosind un supercomputer – poate urmări. Deci, în cercetarea cuantică, oamenii de știință trebuie frecvent să identifice caracteristicile esențiale și să determine cum să le folosească pentru a extrage informații practice fără a fi îngropați într-o avalanșă de detalii.

Într-o lucrare publicată în revista Physical Review Letters în Ianuarie 2024, Victor Galitski, colegul JQI, și studentul absolvent al JQI, Amit Vikram, au identificat o nouă modalitate prin care cercetătorii pot obține informații utile asupra modului în care informațiile asociate cu o configurație de particule sunt dispersate și pierdute efectiv în timp. Tehnica lor se concentrează pe o singură caracteristică care descrie modul în care diferite cantități de energie pot fi reținute de diferite configurații ale unui sistem cuantic.

Abordarea oferă o perspectivă asupra modului în care o colecție de particule cuantice poate evolua fără ca cercetătorii să fie nevoiți să se lupte cu complexitățile interacțiunilor care fac sistemul să se schimbe în timp.

Acest rezultat a apărut dintr-un proiect anterior în care perechea a propus o definiție a haosului pentru lumea cuantică. În acel proiect, perechea a lucrat cu o ecuație care descrie relația de incertitudine energie-timp – vărul mai puțin popular al principiului de incertitudine Heisenberg pentru poziție și impuls.

Principiul incertitudinii Heisenberg înseamnă că există întotdeauna un compromis între modul în care cu precizie puteți cunoaște simultan poziția și impulsul unei particule cuantice. Compensația descrisă de relația de incertitudine energie-timp nu este la fel de bine definit ca vărul său, așa că cercetătorii trebuie să-i adapteze aplicarea la diferite contexte și să fie atenți la modul în care îl interpretează. Dar, în general, relația înseamnă că cunoașterea energiei unei stări cuantice mai precis crește cât de mult tinde să ia starea pentru a trece la o nouă stare.

Când Galitski și Vikram se gândeau la relația incertitudine energie-timp și-au dat seama că se pretează în mod natural la studierea schimbărilor din sistemele cuantice – chiar și în cele cu multe particule – fără a se bloca în prea multe detalii. Folosind relația, cei doi au dezvoltat o abordare care utilizează doar o singură caracteristică a unui sistem pentru a calcula cât de repede se pot amesteca și difuza informațiile conținute într-o colecție inițială de particule cuantice.

Caracteristica pe care și-au construit metoda lor. în jur se numește factor de formă spectrală. Descrie energiile pe care fizica cuantică le permite unui sistem să le dețină și cât de comune sunt acestea - ca o hartă care arată care energii sunt comune și care sunt rare pentru un anumit sistem cuantic.

Contururile hărții sunt rezultatul unei trăsături definitorii a fizicii cuantice – faptul că particulele cuantice pot fi găsite doar în anumite stări cu energii distincte – cuantizate. Și când particulele cuantice interacționează, energia întregii combinații este, de asemenea, limitată la anumite opțiuni discrete.

Pentru majoritatea sistemelor cuantice, unele dintre energiile permise sunt posibile doar pentru o singură combinație a particulelor, în timp ce alte energiile pot rezulta din multe combinații diferite. Disponibilitatea diferitelor configurații de energie dintr-un sistem modelează profund fizica rezultată, făcând din factorul de formă spectral un instrument valoros pentru cercetători.

Galitski și Vikram au adaptat o formulare a relației de incertitudine a timpului energiei în jurul formei spectrale. factor pentru a-și dezvolta metoda. Abordarea se aplică în mod natural răspândirii informațiilor, deoarece informația și energia sunt strâns legate în fizica cuantică.

În timp ce studiau această difuzie, Galitski și Vikram și-au concentrat atenția asupra unei întrebări deschise din fizică numită conjectura rapidă. , care își propune să stabilească cât de mult durează organizarea unei colecții inițiale de particule pentru a fi amestecate - pentru a avea informațiile amestecate și răspândite între toate particulele care interacționează până când devine efectiv irecuperabilă.

Conjectura. nu se preocupă doar de cea mai rapidă amestecare posibilă pentru un singur caz, ci este vorba, în schimb, de modul în care timpul de amestecare se schimbă în funcție de dimensiunea sau complexitatea sistemului.

Pierderea de informații în timpul amestecarea cuantică este similară cu topirea unei sculpturi de gheață. Să presupunem că un sculptor a scris cuvântul „lebădă” în gheață și apoi l-a lăsat absent într-o cadă cu apă într-o zi însorită. Inițial, puteți citi cuvântul dintr-o privire. Mai târziu, „s” a căzut pe o parte, iar vârful „a” a căzut, făcându-l să arate ca un „u”, dar încă poți ghici cu exactitate ce a scris cândva.

Dar, la un moment dat, există doar o băltoacă de apă. S-ar putea să fie încă frig, ceea ce sugerează că a fost gheață recent, dar nu există nicio speranță practică de a afla dacă gheața a fost o sculptură de lebădă reală, sculptată în cuvântul „lebădă” sau doar un bloc plictisitor de gheață.

Cât timp durează procesul depinde atât de gheață, cât și de împrejurimi: poate minute pentru un cub mic de gheață într-un lac sau o după-amiază întreagă pentru o piesă centrală de 2 metri înălțime într-o băltoacă mică.

The Sculptura în gheață este ca informația inițială conținută într-o porțiune a particulelor cuantice, iar apa din jur sunt toate celelalte particule cuantice cu care pot interacționa. Dar, spre deosebire de gheață, fiecare particulă din lumea cuantică poate locui simultan în mai multe stări, numite suprapunere cuantică și poate deveni inextricabil legată între ele prin încurcarea cuantică, ceea ce face ca deducerea stării inițiale să fie foarte dificilă după ce a avut șansa de a se schimba. /p>

Din motive practice, Galitski și Vikram și-au proiectat tehnica astfel încât să se aplice situațiilor în care cercetătorii nu cunosc niciodată stările exacte ale tuturor particulelor cuantice care interacționează.

Abordarea lor funcționează pentru o gamă largă de cazuri, cuprinzând acelea în care informațiile sunt stocate într-o mică parte din toate particulele cuantice care interacționează până la cele în care informațiile se află pe majoritatea particulelor - orice de la un cub de gheață într-un lac la o sculptură într-o băltoacă. Acest lucru oferă tehnicii un avantaj față de abordările anterioare care funcționează doar pentru informațiile stocate pe câteva dintre particulele originale.

Folosind noua tehnică, perechea poate obține o perspectivă asupra cât timp durează un mesaj cuantic pentru a fi eficient. se topesc pentru o mare varietate de situații cuantice. Atâta timp cât cunosc factorul de formă spectral, nu trebuie să știe nimic altceva.

„Este întotdeauna plăcut să poți formula enunțuri care presupun cât mai puțin posibil, ceea ce înseamnă că sunt cât mai puțin general posibil în ipotezele dumneavoastră de bază”, spune Vikram, care este primul autor al lucrării. „Micul bonus în acest moment este că factorul de formă spectral este o cantitate pe care o putem măsura în principiu.”

Abilitatea cercetătorilor de a măsura factorul de formă spectral le va permite să utilizeze tehnica chiar și atunci când multe detalii ale sistemului sunt un mister. Dacă oamenii de știință nu au suficiente detalii pentru a deriva matematic factorul de formă spectrală sau pentru a personaliza o descriere personalizată a particulelor și a interacțiunilor lor, un factor de formă spectral măsurat poate oferi în continuare informații valoroase.

Ca exemplu de aplicând tehnica, Galitski și Vikram s-au uitat la un model cuantic de amestecare numit modelul Sachdev-Ye-Kitaev (SYK). Unii cercetători cred că ar putea exista asemănări între modelul SYK și modul în care informațiile sunt amestecate și pierdute atunci când cade într-o gaură neagră.

Rezultatele lui Galitski și Vikram au arătat că timpul de amestecare a devenit din ce în ce mai lung pe măsură ce se uitau la un număr din ce în ce mai mare de particule, în loc să se stabilească în condiții care s-au amestecat cât mai repede posibil.

„Colecțiile mari de particule durează foarte mult pentru a pierde informații în restul sistemului”, spune Vikram. „Acesta este ceva ce putem obține într-un mod foarte simplu, fără să știm nimic despre structura modelului SYK, în afară de spectrul său de energie. Și este legat de lucruri pe care oamenii s-au gândit la modelele simplificate pentru găurile negre. Dar interiorul real al o gaură neagră s-ar putea dovedi a fi ceva complet diferit, pe care nimeni nu și-a imaginat-o.”

Galitski și Vikram speră că experimentele viitoare le vor confirma rezultatele și intenționează să continue să caute mai multe modalități de a raporta o cuantică generală. caracteristică dinamicii rezultate fără a se baza pe multe detalii specifice.

Ei și colegii lor investighează, de asemenea, proprietățile factorului de formă spectrală pe care fiecare sistem ar trebui să le satisfacă și lucrează pentru a identifica constrângerile de amestecare care sunt universale pentru toți sisteme cuantice.

(Fluierul)