Fizycy symulowali propagację informacji kwantowej z kubitu do otaczającego środowiska i odkryli, że środowisko zwraca informacje o stanie systemu, co dowodzi niemarkowskiego charakteru tego procesu, który obejmuje redundantne kodowanie informacji. Naukowcy przypisali ten wynik symulacji przejawowi tzw. darwinizmu kwantowego – teorii, zgodnie z którą świat zewnętrzny z góry determinuje ograniczony zbiór projekcji stanu otwartego układu kwantowego. Naukowcy opublikowali swoje wyniki w czasopiśmie „Physical Review A”.
Od momentu powstania mechaniki kwantowej, debata nad jej zupełnością i określonością, zapoczątkowana przez Nielsa Bohra i Alberta Einsteina w połowie lat dwudziestych XX wieku, pozostaje nierozstrzygnięta. Próbując rozwiązać te sprzeczności, naukowcy zaproponowali później egzotyczną teorię darwinizmu kwantowego, która zakłada, że układ, spośród ogromnej liczby możliwych stanów kwantowych, przechodzi do ograniczonego zbioru projekcji ze względu na ciągłą interakcję z otaczającym światem, a nie obecność zewnętrznego obserwatora. Słowo „darwinizm” w nazwie tej hipotezy nawiązuje do podobieństwa do teorii ewolucji Karola Darwina i sprowadza się do idei, że pod wpływem środowiska zewnętrznego pozostają tylko te projekcje stanów kwantowych, które fizyka klasyczna przewiduje w świecie makroskopowym.
Fizycy od dawna wiedzą o oddziaływaniu układu kwantowego z jego otoczeniem zewnętrznym, znanym jako dekoherencja. Naukowcy aktywnie zwalczają to zjawisko, aby wydłużyć czas stabilnego działania kubitów i zwiększyć wydajność obliczeń kwantowych. Jednak fizycy dotychczas koncentrowali się wyłącznie na 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“».
