Ученые раскрыли универсальные законы запутанности в любом измерении. Результаты укрепляют связи между физикой элементарных частиц, квантовой теорией и гравитацией.
Группа физиков-теоретиков показала, что квантовая запутанность подчиняется универсальным принципам в каждом измерении, применив теорию эффективного теплового поля. Их выводы были недавно опубликованы в журнале Physical Review Letters, где статья была выбрана в качестве «Рекомендации редакторов».
«Это исследование является первым примером применения теории эффективного теплового поля к квантовой информации. Результаты этого исследования демонстрируют полезность такого подхода, и мы надеемся на дальнейшее развитие этого подхода для более глубокого понимания структур квантовой запутанности», — сказал ведущий автор и доцент Института передовых исследований Университета Кюсю Юя Кусуки.
Квантовая запутанность и энтропия Реньи
В классической физике частицы, находящиеся далеко друг от друга, действуют независимо. Напротив, квантовая физика показывает, что две частицы могут оставаться сильно коррелированными даже на больших расстояниях — явление, известное как квантовая запутанность. Этот эффект является центральным для квантовых технологий, таких как квантовые вычисления и квантовая связь, что делает его изучение необходимым как для теоретического понимания, так и для практических применений.
Одним из основных инструментов для описания запутанности является энтропия Реньи, которая измеряет сложность квантовых состояний и распределение информации. Она играет ключевую роль в классификации квантовых состояний, оценке возможности симуляции сложных квантовых систем, а также широко используется в теоретических исследованиях парадокса потери информации в черных дырах и квантовой гравитации.
Несмотря на свою важность, раскрытие структуры квантовой запутанности остается серьезной проблемой как для физики, так и для квантовой информатики. Большинство исследований до сих пор ограничивались (1+1)-мерными моделями, то есть одним пространственным измерением плюс время. Расширение этой работы на более высокие измерения оказалось гораздо более сложным.
Команда под руководством Юи Кусуки из Института Кавли по физике и математике Вселенной (Kavli IPMU, WPI) Токийского университета, совместно с профессором Калифорнийского технологического института Хироси Оогури и исследователем Сридипом Палом, продемонстрировала, что квантовая запутанность демонстрирует универсальные закономерности даже в более высоких измерениях. Они достигли этого, адаптировав теоретические методы, изначально разработанные в физике элементарных частиц, для изучения квантовой информации.
Применение теории эффективного теплового поля
Исследовательская группа сосредоточилась на теории эффективного теплового поля, которая недавно привела к значительному прогрессу в анализе многомерных теорий в физике элементарных частиц. Это теоретическая основа, предназначенная для извлечения универсального поведения из сложных систем, основанная на идее, что наблюдаемые величины часто могут быть охарактеризованы лишь небольшим числом параметров.
Введя эту структуру в квантовую информационную теорию, команда проанализировала поведение энтропии Реньи в многомерных квантовых системах. Энтропия Реньи характеризуется параметром, известным как число копий (replica number).
Команда продемонстрировала, что в режиме малого числа копий поведение энтропии Реньи универсально регулируется лишь несколькими параметрами, такими как энергия Казимира, ключевая физическая величина в рамках теории. Более того, используя этот результат, команда прояснила поведение спектра запутанности в области, где его собственные значения велики.
Они также исследовали, как универсальное поведение изменяется в зависимости от метода, используемого для оценки энтропии Реньи. Эти выводы действительны не только в (1+1) измерениях, но и в произвольных пространственно-временных измерениях, что является значительным шагом вперед в понимании структур квантовой запутанности в высших измерениях.
Следующим шагом для исследователей является дальнейшее обобщение и уточнение этой структуры. Эта работа представляет собой первую демонстрацию того, что теория эффективного теплового поля может быть применена к изучению структур квантовой запутанности в более высоких измерениях, и остается много возможностей для дальнейшего развития этого подхода. Улучшая теорию эффективного теплового поля с учетом применений квантовой информации, исследователи могли бы получить более глубокое понимание структур квантовой запутанности в многомерных системах.
Что касается прикладной стороны, теоретические выводы, полученные в результате этого исследования, могут привести к улучшению методов численного моделирования для многомерных квантовых систем, предложить новые принципы для классификации квантовых многочастичных состояний и внести вклад в квантово-информационное понимание квантовой гравитации. Эти разработки обещают широкие и значимые будущие применения.
Читайте также: Квантовая запутанность в нейронах может быть ключом к пониманию сознания
Комментировать можно ниже в разделе “Добавить комментарий”.