Математическая деформация времени помогла понять реальные квантовые системы

Ученые классифицировали квантовые каналы при помощи деформации времени. Такая классификация поможет выделить квантовые системы с необычными и интересными свойствами, а также позволит понять эффекты памяти в эволюции открытых квантовых систем и их проявления в реальных физических задачах, таких как распространение сигнала по квантовым линиям связи и поведение кубитов в регистре квантового компьютера. Работа ученых опубликована в Physical Review A.

Физики изучили уравнения, которые позволяют по начальному состоянию системы предсказать ее эволюцию, — квантовые кинематические уравнения для открытой системы. Квантовость означала, что описываемый уравнением объект подчиняется законам квантовой физики, поэтому может находиться одновременно в нескольких состояниях, удовлетворять соотношению неопределенностей (когда нельзя одновременно точно измерить импульс с положением в пространстве) и демонстрировать некоторые другие явления.

Открытые квантовые объекты со временем обычно постепенно и необратимо приближаются к классическим. Подобное поведение называют марковским. В случае сложного окружения динамика объекта может быть иной: квантовые эффекты сначала слабеют, а затем опять на некоторое время усиливаются. В этом случае говорят о немарковской квантовой динамике.

Изменение квантовой системы описывается так называемым квантовым каналом. Это математическое отображение, которое можно представить в виде воображаемой трубки: система попадает туда в одном состоянии и выходит в другом. Для светового импульса, например, квантовый канал будет математическим представлением оптоволокна, но возможны и менее очевидные случаи. Квантовое динамическое отображение тоже может быть марковским или немарковским — в соответствии с динамикой описываемой системы.

«Марковская квантовая динамика характеризуется тем, что в процессе такой динамики квантовая информация монотонно перетекает в окружение, то есть все время уходит и никогда не возвращается, — поясняет один из авторов работы, сотрудник МФТИ Сергей Филиппов. — Если отдаваемая наружу информация способна возвращаться назад и мы не можем в отрыве от окружения рассматривать такой канал по частям, то динамика является немарковской».

Ученые нашли «нефизическое» преобразование уравнений, которое позволяет лучше проявить важные особенности реальных физических систем и отличить марковскую динамику от немарковской. «Физически мы, конечно, не можем ускорять или замедлять время произвольным образом так, чтобы это меняло всю физику системы. Даже в специальной теории относительности с характерным для нее замедлением времени все законы автоматически переписываются в том же самом виде при переходе от одной инерциальной системы отсчета в другую. Другими словами, хотя время и течет в разных системах отсчета по-разному, физика процесса не меняется. Мы же рассматриваем добавление в уравнения явно зависящего от времени множителя, что приводит к нефизической деформации времени в уравнении. Марковские процессы совсем не чувствительны к такой деформации, они по-прежнему соответствуют некой модифицированной, но физической эволюции. Однако для немарковских процессов деформация уравнений существенно изменяет решение: оно перестает быть физическим. Таким образом, деформация времени позволяет отделить марковские процессы от немарковских, а это уже реальная физика», — говорит Сергей Филиппов.

Исследование поддержано грантом Российского научного фонда.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес science@indicator.ru.