Фізики змоделювали поширення квантової інформації з кубіту в навколишнє середовище і з'ясували, що остання повертає інформацію про стан системи назад, демонструючи при цьому немарковість процесу, пов'язану з надлишковим кодуванням інформації. Такий результат моделювання вчені пов'язали з проявом так званого квантового дарвінізму — теорії, за якою зовнішній світ визначає обмежений набір проекцій стану відкритої квантової системи. Своїми результатами дослідники поділилися у журналі Physical Review A.
З моменту виникнення квантової механіки досі вважається незакінченою дискусія про її повноту та зумовленість, розпочату ще Нільсом Бором та Альбертом Ейнштейном у середині 1920-х. У спробі вирішити ці протиріччя вчені пізніше висунули екзотичну теорію квантового дарвінізму, суть якої полягає в тому, що система з величезної кількості можливих квантових станів переходить до обмеженого набору проекцій через безперервну взаємодію з навколишнім світом, а не через наявність стороннього спостерігача. Слово «дарвінізм» у назві гіпотези відсилає схожість з теорією еволюції Чарльза Дарвіна і зводиться до того що, що під впливом довкілля залишаються ті проекції квантових станів, які передбачає класична фізика в макроскопічному світі.
Саме явище взаємодії квантової системи із зовнішнім середовищем фізикам давно відоме і має назву декогеренції, з якою дослідники активно борються, щоб збільшити час стабільної роботи кубитів та ефективність квантових обчислень. Однак досліджень, які фізики присвятили безпосередньо розповсюдженню квантової інформації у навколишньому середовищі, на даний момент існує не так багато.
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“».
