Fizycy symulowali propagację informacji kwantowej z kubitu do otoczenia i odkryli, że otoczenie zwraca informacje o stanie układu, co dowodzi, że proces ten nie jest oparty na algorytmie Markowa i wiąże się z redundantnym kodowaniem informacji. Naukowcy powiązali ten wynik modelowania z przejawami tzw. darwinizmu kwantowego – teorii, zgodnie z którą świat zewnętrzny z góry determinuje ograniczony zbiór projekcji stanu otwartego układu kwantowego. Naukowcy podzielili się wynikami swoich badań w czasopiśmie Physical Review A.
Od czasu powstania mechaniki kwantowej dyskusja na temat jej zupełności i warunkowości, rozpoczęta przez Nielsa Bohra i Alberta Einsteina w połowie lat dwudziestych XX wieku, wciąż jest uważana za niezakończoną. Próbując rozstrzygnąć te sprzeczności, naukowcy zaproponowali później egzotyczną teorię darwinizmu kwantowego, której istotą jest to, że układ spośród ogromnej liczby możliwych stanów kwantowych przemieszcza się do ograniczonego zestawu projekcji na skutek ciągłej interakcji z otaczającym światem, a nie na skutek obecności zewnętrznego obserwatora. Słowo „darwinizm” w tytule hipotezy nawiązuje do podobieństwa do teorii ewolucji Karola Darwina i sprowadza się do faktu, że pod wpływem środowiska zewnętrznego pozostają tylko te projekcje stanów kwantowych, które fizyka klasyczna przewiduje w świecie makroskopowym.
Zjawisko oddziaływania układu kwantowego ze środowiskiem zewnętrznym znane jest fizykom od dawna i nazywa się dekoherencją. Naukowcy aktywnie z nim walczą, aby wydłużyć czas stabilnej pracy kubitów i zwiększyć wydajność obliczeń kwantowych. Jednakże obecnie fizycy nie poświęcają zbyt wielu badań bezpośrednio rozprzestrzenianiu się informacji kwantowej w środowisku.
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“».