Fizycy modelowali propagację informacji kwantowej z kubitu do otoczenia i odkryli, że ten ostatni zwraca informacje o stanie układu, demonstrując niemarkowność procesu związanego z redundantnym kodowaniem informacji. Naukowcy powiązali ten wynik symulacji z manifestacją tzw. darwinizmu kwantowego, teorii, zgodnie z którą świat zewnętrzny z góry określa ograniczony zestaw projekcji stanu otwartego układu kwantowego. Naukowcy podzielili się swoimi wynikami w czasopiśmie Physical Review A.
Od czasu powstania mechaniki kwantowej dyskusja na temat jej zupełności i warunkowości, zapoczątkowana przez Nielsa Bohra i Alberta Einsteina w połowie lat dwudziestych XX wieku, jest nadal uważana za niedokończoną. Próbując rozwiązać te sprzeczności, naukowcy później wysunęli egzotyczną teorię darwinizmu kwantowego, której istotą jest to, że układ z ogromnej liczby możliwych stanów kwantowych przechodzi do ograniczonego zestawu projekcji ze względu na ciągłą interakcję z otaczającym światem, a nie ze względu na obecność zewnętrznego obserwatora. Słowo „darwinizm” w nazwie hipotezy nawiązuje do podobieństwa z teorią ewolucji Karola Darwina i sprowadza się do tego, że pod wpływem środowiska zewnętrznego pozostają tylko projekcje stanów kwantowych przewidziane przez fizykę klasyczną w świecie makroskopowym.
Samo zjawisko oddziaływania układu kwantowego z otoczeniem zewnętrznym jest znane fizykom od dawna i nazywa się dekoherencją, z którą badacze aktywnie walczą o zwiększenie czasu stabilnej pracy kubitów i wydajności obliczeń kwantowych. Jednak obecnie nie ma zbyt wielu badań, które fizycy poświęciliby bezpośrednio propagacji informacji kwantowej w otoczeniu.
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“».