Physicists have simulated the propagation of quantum information from a qubit to the surrounding environment and found that the environment returns information about the system's state, demonstrating the non-Markovian nature of the process, which involves redundant information encoding. The scientists attributed this simulation outcome to a manifestation of so-called quantum Darwinism—the theory that the external world predetermines a limited set of projections of the state of an open quantum system. The researchers shared their results in the journal Physical Review A.
Since the inception of quantum mechanics, the debate over its completeness and determinacy, begun by Niels Bohr and Albert Einstein in the mid-1920s, remains unresolved. In an attempt to resolve these contradictions, scientists later proposed the exotic theory of quantum Darwinism, which posits that a system, from a vast number of possible quantum states, transitions to a limited set of projections due to continuous interaction with the surrounding world, rather than the presence of an outside observer. The word "Darwinism" in the hypothesis's name alludes to the similarity with Charles Darwin's theory of evolution and boils down to the idea that, under the influence of the external environment, only those projections of quantum states predicted by classical physics in the macroscopic world remain.
Physicists have long known about the interaction of a quantum system with its external environment, known as decoherence. Researchers are actively combating this phenomenon to increase the stable operation time of qubits and the efficiency of quantum computing. However, physicists have so far focused only on the propagation of quantum information in the environment.
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“».
