Նախընտրելի
Վիեննայի տեխնոլոգիական համալսարանի և Բեռլինի ազատ համալսարանի գիտնականները առաջին անգամ փորձարարական ճանապարհով դիտարկել են, թե ինչպես է կվանտային համակարգը «մոռանում» տեղեկատվությունը՝ հաստատելով ֆիզիկայի հիմնարար սկզբունքը. տեղեկատվության ջնջումը պահանջում է էներգիա և մեծացնում է էնտրոպիան: Nature Physics ամսագրում հրապարակված հետազոտությունը կարևոր քայլ է կվանտային մեխանիկայի ընկալման և կվանտային տեխնոլոգիաների համար նոր հեռանկարներ է բացում:
Ի՞նչ են բացահայտել գիտնականները
1961 թվականին ֆիզիկոս Ռոլֆ Լանդաուերը առաջարկել է, որ տեղեկատվության ջնջումը, օրինակ՝ հիշողության մեջ բիթի ջնջումը, միշտ ուղեկցվում է ջերմության արտանետմամբ և էնտրոպիայի (անկարգության չափ) աճով: Լանդաուերի այս սկզբունքը երկար ժամանակ մնացել է տեսական, քանի որ այն բարդ կվանտային համակարգերում ստուգելը տեխնիկապես անհնար էր: Այժմ միջազգային թիմը առաջին անգամ փորձարարական ճանապարհով հաստատել է այն բազմամասնիկ կվանտային համակարգում:
Փորձը ցույց է տվել.
- Կվանտային համակարգում տեղեկատվության կորուստը կապված է էներգետիկ ծախսերի և էնտրոպիայի անդառնալի աճի հետ:
- Երբ համակարգը փոխազդում է շրջակա միջավայրի հետ (օրինակ՝ չափիչ սարքի), տեղեկատվությունը դառնում է անհասանելի, և գործընթացը՝ անդառնալի:
«Տեղեկատվության ջնջումը ֆիզիկական գործընթաց է՝ իրական գնով», — նշել է Վիեննայի տեխնոլոգիական համալսարանի պրոֆեսոր Յորգ Շմիդմայերը:
Ինչպե՞ս է անցկացվել փորձը
Թիմն օգտագործել է գերսառը ատոմների հարթակ՝ կվանտային համակարգը դիտարկելու համար.
- Համակարգի պատրաստում.
- Ռուբիդիումի հազարավոր ատոմներ սառեցվել են մինչև բացարձակ զրոյին մոտ ջերմաստիճան (−273.15°C):
- Ատոմները պահվել են օպտիկական թակարդներում՝ ատոմային չիպի վրա, որը ստեղծում է մագնիսական և էլեկտրական դաշտեր ատոմներով մանիպուլյացիայի համար:
- Փոխազդեցության ստեղծում.
- Երկու ատոմային ամպեր բացվել են թակարդներից և բախվել՝ կազմելով կվանտային համակարգ՝ տեղեկատվության վերահսկելի փոխանակմամբ:
- Համակարգը պայմանականորեն բաժանվել է երկու մասի՝ կվանտային համակարգ (մեկ ամպ) և միջավայր (յուրե ամպ):
- Չափումներ.
- Գիտնականները չափել են կվանտային խճճվածության աստիճանը և ամպերի միջև կորելյացիաները՝ օգտագործելով ինտերֆերոմետրիա:
- Նրանք հետևել են, թե ինչպես է տեղեկատվությունը «հոսում» դեպի միջավայր՝ մեծացնելով համակարգի էնտրոպիան:
- Վերլուծության համար օգտագործվել են միաչափ Գրոս-Պիտաևսկու հավասարումներ, որոնք մոդելավորում են բոզե-կոնդենսատի վարքը:
Արդյունքները ցույց են տվել, որ միջավայրի հետ փոխազդեցության ժամանակ տեղեկատվությունը կորչում է անդառնալիորեն, իսկ էնտրոպիան աճում է, ինչը համապատասխանում է Լանդաուերի սկզբունքին:
Ինչու՞ է սա կարևոր
Հայտնագործությունն ունի հիմնարար և գործնական նշանակություն.
- Կվանտային մեխանիկայի ընկալում.
- Փորձը բացատրում է, թե ինչպես է կվանտային համակարգում չափումը (օրինակ՝ ատոմների դիտարկումը) հանգեցնում տեղեկատվության կորստի՝ դարձնելով գործընթացը անդառնալի:
- Սա հաստատում է Լանդաուերի առաջարկած տեղեկատվության, էներգիայի և էնտրոպիայի կապը:
- Կվանտային տեխնոլոգիաներ.
- Արդյունքները կօգնեն օպտիմիզացնել կվանտային համակարգիչները, որտեղ տեղեկատվության կորուստը (դեկոհերենցիան) սահմանափակում է հաշվարկները: Բիթի ջնջման էներգետիկ ծախսերի ընկալումը թույլ կտա ստեղծել ավելի արդյունավետ կվանտային պրոցեսորներ:
- Գերսառը ատոմների հարթակը կարող է դառնալ կվանտային ալգորիթմների փորձարկման ստանդարտ:
- Տեղեկատվության ջերմոդինամիկա.
- Հետազոտությունն ամրապնդում է տեղեկատվության ֆիզիկայի և դասական ջերմոդինամիկայի կապը՝ ճանապարհ բացելով տիեզերքի բնույթի մասին նոր տեսությունների համար:
- «Տեղեկատվությունը ֆիզիկական մեծություն է, և դրա կորուստն ունի չափելի հետևանքներ», — նշել է տեսաբան Յենս Այզերտը Բեռլինի ազատ համալսարանից:
- Ապագա փորձեր.
- Հարթակը թույլ է տալիս ուսումնասիրել այլ կվանտային երևույթներ, ինչպիսիք են կվանտային քաոսը կամ խճճվածության դինամիկան, աննախադեպ ճշգրտությամբ:
Տեխնիկական մանրամասներ
- Համակարգ. Բոզե-Էյնշտեյնի կոնդենսատ՝ ~10,000 ռուբիդիում-87 ատոմներից, սառեցված մինչև ~50 նանոկելվին:
- Չափումներ. Օգտագործվել են մինչև 1 մկմ թույլտվությամբ տեսախցիկներ՝ ատոմների հետագծերն ու կորելյացիաները հետևելու համար:
- Էնտրոպիա. Ֆոն Նեյմանի էնտրոպիայի աճը չափվել է ենթահամակարգերի միջև կվանտային կորելյացիաների միջոցով:
- Էներգիա. Ջերմության արտանետումը (~10⁻²³ Ջ մեկ բիթի համար) հաստատվել է ատոմների կինետիկ էներգիայի վերլուծությամբ:
Չափումների սխալը կազմել է 5%-ից պակաս, ինչը ռեկորդ է բազմամասնիկ կվանտային համակարգերի համար:
Սահմանափակումներ և հեռանկարներ
- Մասշտաբայնություն. Փորձը սահմանափակված է միաչափ համակարգով՝ 10³–10⁴ ատոմներով: Իրական կվանտային համակարգիչների համար, որոնք ունեն միլիոնավոր կյուբիթներ, անհրաժեշտ են ավելի բարդ մոդելներ:
- Ջերմաստիճան. Գերսառը ատոմները պահանջում են բարդ կայանքներ, ինչը սահմանափակում է տեխնոլոգիայի հասանելիությունը:
- Ապագա հետազոտություններ.
- Գիտնականները ծրագրում են ուսումնասիրել, թե ինչպես է տեղեկատվությունը կորչում կվանտային տուրբուլենտությամբ համակարգերում:
- Օպտիկական ռեզոնատորների հետ ինտեգրումը կարող է թույլ տալ դիտարկել տեղեկատվության կորուստը իրական ժամանակում:
Եզրակացություն
Վիեննայի և Բեռլինի հետազոտողները առաջին անգամ դիտարկել են, թե ինչպես է կվանտային համակարգը կորցնում տեղեկատվությունը՝ հաստատելով Լանդաուերի սկզբունքը ռուբիդիումի գերսառը ատոմներով փորձի միջոցով: Nature Physics-ում հրապարակված աշխատանքը ապացուցում է, որ տեղեկատվության ջնջումը պահանջում է էներգիա և մեծացնում է էնտրոպիան նույնիսկ բարդ կվանտային համակարգերում: Այս բացահայտումը խորացնում է կվանտային մեխանիկայի ընկալումը և խոստանում է բարելավել կվանտային համակարգիչները՝ նվազեցնելով դրանց էներգետիկ ծախսերը: Գերսառը ատոմների հարթակը բացում է նոր հորիզոններ՝ տեղեկատվության, էներգիայի և տիեզերքի բնույթն ուսումնասիրելու համար: Հետևե՛ք կվանտային ֆիզիկայի նորություններին՝ մենք հեղափոխական բացահայտումների շեմին ենք:
