Физики-теоретики из Тринити-колледжа в Дублине обнаружили глубокую связь между одной из самых поразительных особенностей квантовой механики - квантовой запутанностью - и термализацией, то есть процессом, в котором что-то приходит в тепловое равновесие с окружающей средой.
Все мы знакомы с термализацией - просто представьте, как со временем ваш кофе достигает комнатной температуры. С другой стороны, квантовая запутанность - это совсем другая история.
Тем не менее работа, выполненная Марлоном Бренесом, кандидатом наук, и профессором Джоном Гулдом из Trinity в сотрудничестве с Сильвией Паппаларди и профессором Алессандро Сильвой из SISSA в Италии, показывает, как эти два понятия неразрывно связаны.
Объясняя важность открытия, профессор Гулд, лидер группы Trinity QuSys, объясняет:
Квантовая запутанность - это нелогичное свойство квантовой механики, которое позволяет частицам, взаимодействовавшим друг с другом в какой-то момент времени, коррелировать так, как это невозможно в классическом понимании. Измерения одной частицы влияют на результаты измерения другого - даже если они разделены световыми годами. Эйнштейн назвал этот эффект «призрачным действием на расстоянии».
Оказывается, что запутанность не просто пугающая, но и повсеместная, и на самом деле, что еще более удивительно, так это то, что мы живем в эпоху, когда технологии начинают использовать эту особенность для выполнения подвигов, которые считались невозможными. Прошло всего несколько лет. Эти квантовые технологии быстро развиваются в частном секторе, и такие компании, как Google и IBM, лидируют в гонке».
Но какое отношение все это имеет к холодному кофе?
Профессор Гулд уточняет: «Когда вы приготовите чашку кофе и оставите ее на некоторое время, она остынет, пока не достигнет температуры окружающей среды. Это термализация. В физике мы говорим, что этот процесс необратим - как мы знаем, наш когда-то теплый кофе не остынет, а затем волшебным образом снова нагреется. То, как необратимость и тепловое поведение возникают в физических системах, - это то, что завораживает меня как ученого, поскольку это применимо к масштабам размером с атомы, к чашкам. кофе и даже к эволюции самой Вселенной. В физике статистическая механика - это теория, которая стремится понять этот процесс с микроскопической точки зрения. Для квантовых систем появление термализации, как известно, сложно и является центральным направлением исследования."
Так какое отношение все это имеет к запутанности и что говорят ваши результаты?
В статистической механике есть различные способы, известные как ансамбли, с помощью которых вы можете описать, как система термализуется, и все они считаются эквивалентными, когда у вас есть большая система (примерно в масштабе 10^ 23 атома). Однако в нашей работе мы показываем, что в этом процессе не только присутствует запутанность, но и его структура сильно различается в зависимости от того, какой способ описания вашей системы вы выберете. Таким образом, это дает нам возможность проверить фундаментальные вопросы статистической механики. Идея является общей и может быть применена к целому ряду систем размером от нескольких атомов до черных дыр».
Марлон Бренес, кандидат наук в Trinity и первый автор статьи, использовал суперкомпьютеры для моделирования квантовых систем, чтобы проверить эту идею.
Бренес, специалист по численным вычислениям, сказал: «Численное моделирование для этого проекта, которое я выполнил, находится на пределе того, что в настоящее время можно сделать на уровне высокопроизводительных вычислений. Для запуска кода я использовал национальный объект, ICHEC и новая машина Кея. Таким образом, помимо того, что это был хороший фундаментальный результат, работа помогла нам действительно раздвинуть границы этого типа вычислительного подхода и установить, что наши коды и национальная архитектура работают на переднем крае.."
Исследование профессора Гулда поддерживается исследовательской стипендией SFI-Royal Society и стартовым грантом Европейского совета.