Группа теоретиков использовала теорию эффективной температуры, чтобы продемонстрировать, что квантовая запутанность подчиняется универсальным правилам во всех измерениях. Их исследование было опубликовано в журнале Physical Review Letters.
«Это исследование — первый пример применения теории эффективной температуры к квантовой информации. Результаты демонстрируют полезность этого подхода, и мы надеемся на его дальнейшее развитие для более глубокого понимания структур квантовой запутанности», — сказал ведущий автор, доцент Института перспективных исследований при университете Кюсю Юя Кусуки.
Классическая и квантовая физика
В классической физике две частицы, находящиеся далеко друг от друга, ведут себя независимо. Однако в квантовой физике две частицы могут демонстрировать сильные корреляции независимо от расстояния между ними. Эта квантовая корреляция известна как квантовая запутанность.
Квантовая запутанность — фундаментальное явление, лежащее в основе квантовых технологий, таких как квантовые вычисления и квантовая связь. Понимание её структуры важно как теоретически, так и практически.
Одна из ключевых мер
Одной из ключевых мер, используемых для количественной оценки квантовой запутанности, является энтропия Реньи. Энтропия Реньи количественно определяет сложность квантовых состояний и распределение информации, а также играет решающую роль в классификации квантовых состояний и оценке возможности моделирования квантовых систем с множеством тел.
Кроме того, энтропия Реньи служит мощным инструментом в теоретических исследованиях проблемы потери информации в чёрной дыре и часто встречается в контексте квантовой гравитации.
Однако раскрытие структуры квантовой запутанности — сложная задача как для теоретической физики, так и для теории квантовой информации. Однако большинство исследований на сегодняшний день были ограничены (1+1)-мерными системами, то есть 1 пространственному измерению плюс измерение времени. В более высоких измерениях анализ структуры квантовой запутанности становится значительно сложнее.
Применение теории эффективной температуры
Группа исследователей под руководством Кусуки, профессора Хироси Оогури из Университета Токио и Калифорнийского технологического института (Калтех) и исследователя из Калтеха Шридипа Пала показала универсальные особенности структур квантовой запутанности в более высоких измерениях, применив теоретические методы, разработанные в области физики элементарных частиц, к теории квантовой информации.
Исследовательская группа сосредоточилась на теории эффективной температуры, которая недавно привела к крупным достижениям в анализе многомерных теорий в физике элементарных частиц. Это теоретическая основа, предназначенная для извлечения универсального поведения из сложных систем, основанная на идее, что наблюдаемые величины часто могут быть охарактеризованы лишь небольшим числом параметров.
Введя эту основу в теорию квантовой информации, команда проанализировала поведение энтропии Реньи в квантовых системах более высоких измерений. Энтропия Реньи характеризуется параметром, известным как число реплик. Команда продемонстрировала, что в режиме малого числа реплик поведение энтропии Реньи универсально определяется лишь несколькими параметрами, такими как энергия Казимира, ключевая физическая величина в теории.
Дальнейшие исследования показали, как универсальное поведение меняется в зависимости от метода оценки энтропии Реньи. Эти результаты справедливы не только для (1+1) измерений, но и для произвольных пространственно-временных измерений, что является значительным шагом вперёд в понимании структур квантовой запутанности в более высоких измерениях.
Следующий шаг
Следующим шагом для исследователей является дальнейшее обобщение и усовершенствование этой основы. Эта работа представляет собой первую демонстрацию того, что теорию эффективной температуры можно эффективно применять для изучения структур квантовой запутанности в более высоких измерениях, и остаётся ещё много возможностей для дальнейшего развития этого подхода.
Улучшая теорию эффективной температуры с учётом приложений в квантовой информации, исследователи могут глубже понять структуры квантовой запутанности в системах более высоких измерений.
На практике теоретические идеи, полученные в результате этого исследования, могут привести к улучшению методов численного моделирования для квантовых систем более высоких измерений, предложить новые принципы классификации квантовых состояний с множеством тел и способствовать квантово-информационному пониманию квантовой гравитации. Эти разработки обещают широкие и значимые будущие приложения.
Предоставлено Фондом Кавли.