Physicists have modeled the propagation of quantum information from a qubit into the environment and found that the environment returns information about the state of the system back, demonstrating the non-Markovian nature of the process, coupled with redundant coding of information. Scientists have linked this outcome of the modeling to the manifestation of so-called quantum Darwinism - a theory according to which 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 emergence of quantum mechanics, the debate about its completeness and determinacy, started by Niels Bohr and Albert Einstein in the mid-1920s, has been considered unfinished. In an attempt to resolve these contradictions, scientists later put forward an exotic theory of quantum Darwinism, the essence of which is that a system from a huge number of possible quantum states moves to a limited set of projections due to continuous interaction with the outside world, and not because of the presence of an outside observer. The word "Darwinism" in the name of the hypothesis refers to the similarity with Charles Darwin's theory of evolution and boils down to the fact that under the influence of the external environment, only those projections of quantum states that classical physics predicts in the macroscopic world remain.
The phenomenon of interaction of a quantum system with the external environment has long been known to physicists and is called decoherence, which researchers are actively fighting to increase the time of stable operation of qubits and the efficiency of quantum computing. However, there are not many studies that physicists have devoted directly to the dissemination 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“».
