Принцип Ландауэра — это термодинамическая концепция, имеющая значение и в теории информации. Согласно этому принципу, удаление одного бита информации из информационной системы приводит к рассеиванию по крайней мере определённого количества энергии (например, $k_B T \ln 2$). До сих пор этот принцип в основном рассматривался в контексте классических компьютеров и систем обработки информации.
Однако исследователи из Венского технического университета, Свободного университета Берлина, Университета Британской Колумбии, Университета Крита и Университета Павии недавно распространили принцип Ландауэра на квантовые системы многих тел — системы, состоящие из множества взаимодействующих квантовых частиц.
Их статья, опубликованная в Nature Physics, представляет жизнеспособный подход к экспериментальной проверке этого важного принципа в квантовом режиме и проверке теоретических предсказаний, основанных на квантовой термодинамике.
«Давно признано, что понятия термодинамики и информации глубоко переплетены», — сказал Йенс Эйзерт, старший автор статьи, в интервью Phys.org.
«Первопроходцы, такие как Больцман и Гиббс, руководствовались глубокими идеями о том, как знания, которые мы имеем о системе, формируют её осмысленное описание — понимание, позже обогащённое основополагающей работой Шеннона в абстрактной теории информации. По своей сути информация управляет поведением термодинамических систем, определяя, направляется ли энергия на полезную работу или рассеивается в виде тепла».
Исследователи Эйзерта и его коллеги опирались на экспериментальную платформу, разработанную Йёргом Шмидтмайером. Эта платформа состоит из архитектуры атомного чипа, которая обеспечивает исключительный контроль над ультрахолодными атомами в непрерывных условиях.
«Наш интерес был сосредоточен на том, как такие понятия, как удаление информации и производство тепла, могут проявляться в этом уникально настраиваемом квантовом режиме», — сказал Эйзерт. «Это естественным образом привело нас к принципу Ландауэра, который утверждает, что удаление информации неизбежно связано с рассеиванием тепла в окружающую среду — фундаментальная связь между термодинамикой и информацией».
Принцип Ландауэра широко изучался в прошлом, поэтому его необходимо проверить в экспериментальных условиях. Вместо этого исследователи хотели глубже изучить его последствия в контексте квантовых систем многих тел, поскольку это могло бы обогатить как понимание принципа, так и изучаемых систем.
«Именно с этой точки зрения — как теоретической, так и экспериментальной — мы решили провести исследование», — пояснил Эйзерт. «В нашей работе мы точно отслеживаем временную эволюцию квантового поля, подверженного глобальному массовому возмущению — от массивной к безмассовой модели Клейна-Гордона, прототипной квантовой теории поля. Мы анализируем термодинамические и информационно-теоретические вклады в обобщённое производство энтропии в различных разделах системы и окружающей среды составной системы».
Для проверки принципа Ландауэра в сложной квантовой системе Эйзерт и его коллеги использовали симулятор квантового поля — систему, которую можно использовать для моделирования поведения частиц и полей, управляемого квантовой механикой. Их симулятор использовал ультрахолодные атомы бозе-газа, которые, как известно, ведут себя как квантовые системы, когда их охлаждают до температур, близких к абсолютному нулю. Экспериментальная работа для этого исследования проводилась в ведущей лаборатории под руководством Йёрга Шмидтмайера в Венском техническом университете.
Результаты квантового моделирования команды соответствовали прогнозам, основанным на квантовой теории поля — структуре, описывающей поведение частиц и полей на основе законов квантовой механики. Чтобы объяснить свои выводы, исследователи объединили теории классической физики с квантовыми поправками, используя полуклассическую схему квазичастиц.
«Методологически это стало возможным благодаря схеме динамической томографической реконструкции, которую мы разработали совместно, которая использует выбранные экземпляры временной эволюции для доступа и реконструкции в противном случае несовместимых квантовых свойств», — сказал Эйзерт. «Наше исследование сначала помогает нам лучше понять, как принцип Ландауэра проявляется в этом квантово-полевом теоретическом контексте, как фундаментальное понимание природы».
«С технологической точки зрения это помогает нам лучше понять эту экспериментальную платформу, чтобы в дальнейшем развить её до термодинамического двигателя, действующего в квантово-механическом режиме или близко к нему».
Это исследование подчёркивает потенциал квантовых симуляторов, основанных на ультрахолодных атомах, для изучения концепций, основанных на квантовой термодинамике. В будущем это может вдохновить другие исследовательские группы на проведение аналогичных экспериментов, которые в конечном итоге могут повлиять на разработку новых квантовых процессоров и других квантовых технологий.
«Мы хотели бы вместе изучить эту платформу получше, развить её в тепловую машину, увидеть запутанность и квантовые корреляции в действии», — добавил Эйзерт. «Это увлекательная площадка для этого».
© 2025 Science X Network
More from Quantum Physics