Някои неща са свързани, други не. Да предположим, че произволно избирате човек от тълпата, който е значително по-висок от средния. В такъв случай има голяма вероятност този човек и да тежи повече от средното. Статистически едното количество съдържа и информация за другото.

Квантовата физика позволява още по-силни връзки - различни частици или части от обширна квантова система могат да „споделят“ определено количество информация. Има любопитни теоретични прогнози за това: изненадващо, мярката на тази "взаимна информация" не зависи от размера на системата, а само от нейната повърхност. Този изненадващ резултат е потвърден експериментално във Виенския технологичен университет (TU Wien) и публикуван в Nature Physics. Теоретичният принос към експеримента и неговата интерпретация е извършена от Института Макс Планк за квантова оптика в Гархинг, Берлинския свободен университет (FU Berlin), Швейцарския федерален технологичен институт Цюрих (ETH Zürich) и Нюйоркския университет.

Квантова информация: По-силно свързана, отколкото позволява класическата физика

„Нека си представим газов контейнер, в който малки частици летят наоколо и се държат по много класически начин като малки сфери“, разказва Мохамадамин Таджик (Mohammadamin Tajik) от Виенския център за квантова наука и технологии (VCQ) – Atominstitut на TU Wien, първият автор на текущата публикация. "Ако системата е в равновесие, тогава частиците в различни области на контейнера не знаят нищо една за друга. Човек може да ги счита за напълно независими една от друга. Следователно може да се каже, че взаимната информация, която тези две частици споделят, е нулева."

В квантовия свят обаче нещата са различни: ако частиците се държат квантово, тогава може да се случи, че вече не може да се разглеждат независимо една от друга. Те са математически свързани - не може смислено да се опише една частица, без да се каже нещо за друга.

„За такива случаи отдавна има прогноза за взаимната информация, споделяна между различни подсистеми на квантова система с много тела“, обяснява Мохамадамин Таджик. "В такъв квантов газ споделената взаимна информация е по-голяма от нула и не зависи от размера на подсистемите - а само от външната гранична повърхност на подсистемата."

Тази прогноза изглежда интуитивно странна: в класическия свят е различно. Например информацията, съдържаща се в една книга, зависи от нейния обем - не само от площта на корицата на книгата. В квантовия свят обаче информацията често е тясно свързана с повърхността.

Измервания с ултрастудени атоми

Международен изследователски екип, ръководен от проф. Йорг Шмидмайер (Jörg Schmiedmayer), сега потвърждава за първи път, че взаимната информация в многотелесна квантова система се мащабира с повърхността, а не с обема. За целта изследват облак от ултрастудени атоми. Частиците са охладени до температура малко над абсолютната нула и задържани на място от атомен чип - микро интегрирани устройства, в които електрически, магнитни и оптични полета могат да ограничават, контролират и манипулират студени атоми. При изключително ниски температури квантовите свойства на частиците стават все по-видими. Информацията се разпространява все повече и повече в системата, а връзката между отделните части на цялостната система става все по-значима. В този случай системата може да бъде описана с квантова теория на полето.

„Експериментът е много труден“, разказва Йорг Шмидмайер. „Необходима е пълна информация за квантовата система, доколкото квантовата физика позволява. За целта сме разработили специална томографска техника. Получаваме информацията, от която се нуждаем, като смущаваме атомите много малко и след това наблюдаваме получената динамика. Това е като хвърляне на камък в езеро и след това получаване на информация за състоянието на течността и езерото от последващите вълни."

Докато температурата на системата не достигне абсолютната нула (което е невъзможно), тази "споделена информация" има ограничен обхват. В квантовата физика това е свързано с "дължината на кохерентност" - тя показва разстоянието, до което частиците се държат квантово подобно и по този начин споделят информация една с друга.

„Това също така обяснява защо споделената информация няма значение в класическия газ“, отбелязва Мохамадамин Таджик. „В една класическа система с много тела кохерентността изчезва. Можете да кажете, че частиците вече не знаят нищо за съседните си частици.“

Ефектът на температурата и дължината на кохерентност върху взаимната информация също е потвърден в експеримента.

Квантовата информация играе съществена роля в много технически приложения на квантовата физика днес. По този начин резултатите от експеримента са от значение за различни изследователски области - от физиката на твърдото тяло до квантово физическото изследване на гравитацията.

Справка: Tajik, M., Kukuljan, I., Sotiriadis, S. et al. Verification of the area law of mutual information in a quantum field simulator. Nat. Phys. (2023). https://doi.org/10.1038/s41567-023-02027-1 

Източник: Paradoxical quantum phenomenon measured for the first time, TU Wien.

Още по темата

26/04/2023

Физика

Сапфирена "котка на Шрьодингер" показва, че квантовите ефекти могат да се мащабират

06/01/2022

Физика

Физици наблюдават как ултрастудени атоми образуват кристал от квантови торнадо

09/12/2021

Физика

Физици създават управляема спинова течност. Що е то квантова спинова течност?

15/10/2021

Физика

Нов рекорд за най-ниска температура се доближава много до абсолютната нула