Растрачивание запутанности — экзотическое явление в квантовой информатике, описывающее возможность извлечения запутанности из ресурсной системы без изменения её квантового состояния. В этом контексте ресурсные системы играют роль катализатора, обеспечивая переход состояния, который в противном случае был бы невозможен, без потребления в этом процессе. Чтобы растрачивание запутанности было возможно, ресурсное состояние должно быть сильно запутанным.
Термин «универсальный растратчик» относится к идее бинарной квантовой системы, где каждое состояние достаточно запутано, чтобы сделать растрачивание возможным. До сих пор казалось весьма сомнительным, что физические системы, демонстрирующие такие сильные свойства запутанности, могут вообще существовать.
Однако исследователи из Ганноверского университета Лейбница доказали, что универсальное растрачивание проявляется во всех критических фермионных цепочках, то есть в одномерных фермионных системах при квантовых фазовых переходах. Хотя их статья, опубликованная в Nature Physics, носит теоретический характер, она может открыть новые возможности для изучения физики многих тел и развития квантовых технологий.
Александр Штоттмайстер, соавтор статьи, рассказал Phys.org: «Недавно мы абстрактно показали, что феномен универсального растрачивания проявляется в релятивистских квантовых полях. Однако после различных обсуждений коллеги с опытом в квантовой информатике или физике многих тел задались вопросом, не показывает ли это, что в квантовой теории поля что-то не так, и могут ли не релятивистские системы также демонстрировать этот феномен».
«Таким образом, нам стало любопытно, действительно ли универсальное растрачивание является распространённым явлением и, например, также реализуется в более простой настройке спиновых цепочек в физике многих тел», — добавил он.
Опираясь на свои предыдущие исследования, Штоттмайстер и его коллеги решили изучить возможность того, что критические спиновые цепочки всегда демонстрируют универсальное растрачивание. В рамках своего недавнего исследования они продемонстрировали, что это может быть так, и показали, что это свойство может естественным образом проявляться в системах с критическими фермионами.
Лауритц ван Люйк, соавтор статьи, пояснил: «Хотя наша работа показывает, что критические спиновые цепочки могут растрачивать запутанность, она не содержит рецепта, как это сделать. В текущей работе мы описываем явные протоколы, которые используют только определённый класс операций, называемых гауссовыми операциями, которые в принципе проще реализовать».
Исследователи начали своё изучение универсального растрачивания, сосредоточившись на термодинамическом пределе. Это означает, что они работали непосредственно с бесконечными квантовыми системами (то есть предполагая, что системы имеют бесконечное количество частиц или степеней свободы), а не рассматривали большие, но конечные системы.
«В статье мы показываем, что подсистемы, соответствующие левой и правой половинам цепочек в термодинамическом пределе, удовлетворяют набору критериев, которые, как мы показали в предыдущей работе, соответствуют универсальным растрачивающим квантовым системам», — сказал ван Люйк. «Наконец, мы демонстрируем, что свойство универсального растрачивания не ограничивается термодинамическим пределом, но уже проявляется в больших, но конечных фермионных системах».
Недавняя теоретическая работа Штоттмайстера, ван Люйка и их коллеги Хенрика Вильминга предполагает, что универсальное квантовое растрачивание может быть устойчивой характеристикой хорошо известных физических систем. В частности, она показывает, что критические свободные фермионные системы многих тел могут естественным образом действовать как растратчики.
«Мы показали, что все критические спиновые цепочки, описывающие критические точки квантовых фазовых переходов, которые являются трансляционно-инвариантными и могут быть эффективно описаны с помощью невзаимодействующих фермионов, демонстрируют феномен универсального растрачивания», — сказал Вильминг, соавтор статьи. «Это включает в себя большой набор хорошо известных моделей и показывает, что эти модели имеют гораздо более сильные свойства запутанности, чем было известно ранее».
Примечательно, что исследователи показали, что растрачивание может сохраняться в приблизительной форме в конечных системах. Таким образом, это не теоретическая конструкция, которая проявляется только в идеальных бесконечных моделях, но может также проявляться в реальных и конечных квантовых системах. В своих следующих исследованиях они надеются дополнительно оценить обоснованность своей теории.
«Один из планов — изучить, сохраняются ли наши результаты, если мы не требуем эффективного описания в терминах невзаимодействующих фермионов», — добавил Вильминг. «В этом отношении было бы также интересно, сохраняется ли феномен растрачивания в присутствии беспорядка. Другой — посмотреть, могут ли критические системы также демонстрировать форму растрачивания, в которой участвуют более двух, а не только две стороны».
«Мы показали, что последнее в принципе возможно, но мы не нашли естественной физической модели, которая бы это допускала», — заключил Вильминг.
© 2025 Science X Network