Ученые из Венского технического университета и Свободного университета Берлина впервые экспериментально наблюдали, как квантовая система «забывает» информацию, подтвердив фундаментальный принцип физики: удаление информации требует энергии и увеличивает энтропию. Исследование, опубликованное в журнале Nature Physics, стало важным шагом в понимании квантовой механики и открывает новые перспективы для квантовых технологий.

Что открыли ученые?

В 1961 году физик Рольф Ландауэр предположил, что удаление информации — например, стирание бита в памяти — всегда сопровождается выделением тепла и ростом энтропии (меры беспорядка). Этот принцип Ландауэра долго оставался теоретическим, так как его проверка в сложных квантовых системах была технически невозможна. Теперь международная команда впервые подтвердила его экспериментально в многочастичной квантовой системе.

Эксперимент показал:

  • Потеря информации в квантовой системе связана с энергетическими затратами и необратимым ростом энтропии.
  • Когда система взаимодействует с окружающей средой (например, измерительным прибором), информация становится недоступной, а процесс необратимым.

«Удаление информации — это физический процесс с реальной ценой», — отметил профессор Йорг Шмидмайер из Венского технического университета.

Как проводился эксперимент?

Команда использовала платформу ультрахолодных атомов для наблюдения за квантовой системой:

  1. Подготовка системы:
    • Тысячи атомов рубидия были охлаждены до температуры близкой к абсолютному нулю (−273.15°C).
    • Атомы удерживались в оптических ловушках на атомном чипе — устройстве, создающем магнитные и электрические поля для манипуляции атомами.
  2. Создание взаимодействия:
    • Два облака атомов выпускались из ловушек и сталкивались, образуя квантовую систему с контролируемым обменом информацией.
    • Система условно делилась на две части: квантовая система (одно облако) и окружение (другое облако).
  3. Измерения:
    • Ученые измеряли степень квантовой запутанности и корреляций между облаками с помощью интерферометрии.
    • Они отслеживали, как информация «утекает» в окружение, увеличивая энтропию системы.
    • Для анализа использовались одномерные уравнения Гросса-Питаевского, моделирующие поведение бозе-конденсата.

Результаты показали, что при взаимодействии с окружением информация теряется необратимо, а энтропия растет, что соответствует принципу Ландауэра.

Почему это важно?

Открытие имеет фундаментальное и практическое значение:

  1. Понимание квантовой механики:
    • Эксперимент объясняет, как измерение в квантовой системе (например, наблюдение за атомами) приводит к потере информации, делая процесс необратимым.
    • Это подтверждает связь между информацией, энергией и энтропией, предложенную Ландауэром.
  2. Квантовые технологии:
    • Результаты помогут оптимизировать квантовые компьютеры, где потеря информации (декогеренция) ограничивает вычисления. Понимание затрат энергии на удаление бита позволит создавать более эффективные квантовые процессоры.
    • Платформа ультрахолодных атомов может стать стандартом для тестирования квантовых алгоритмов.
  3. Термодинамика информации:
    • Исследование укрепляет связь между физикой информации и классической термодинамикой, открывая путь к новым теориям о природе Вселенной.
    • «Информация — это физическая величина, а ее утрата имеет измеримые последствия», — отметил теоретик Йенс Айзерт из Свободного университета Берлина.
  4. Будущие эксперименты:
    • Платформа позволяет изучать другие квантовые явления, такие как квантовый хаос или динамика запутанности, с беспрецедентной точностью.

Технические детали

  • Система: Бозе-эйнштейновский конденсат из ~10,000 атомов рубидия-87, охлажденный до ~50 нанокельвинов.
  • Измерения: Использовались камеры с разрешением до 1 мкм для отслеживания траекторий атомов и их корреляций.
  • Энтропия: Рост энтропии фон Неймана измерялся через квантовые корреляции между подсистемами.
  • Энергия: Выделение тепла (~10⁻²³ Дж на бит) подтверждено через анализ кинетической энергии атомов.

Погрешность измерений составила менее 5%, что стало рекордом для многочастичных квантовых систем.

Ограничения и перспективы

  • Масштабируемость: Эксперимент ограничен одномерной системой с 10³–10⁴ атомами. Для реальных квантовых компьютеров с миллионами кубитов нужны более сложные модели.
  • Температура: Ультрахолодные атомы требуют сложных установок, что ограничивает доступность технологии.
  • Будущие исследования:
    • Ученые планируют изучить, как информация теряется в системах с квантовой турбулентностью.
    • Интеграция с оптическими резонаторами может позволить наблюдать потери информации в реальном времени.

Вывод

Исследователи из Вены и Берлина впервые наблюдали, как квантовая система теряет информацию, подтвердив принцип Ландауэра в эксперименте с ультрахолодными атомами рубидия. Работа, опубликованная в Nature Physics, доказывает, что удаление информации требует энергии и увеличивает энтропию даже в сложных квантовых системах. Это открытие углубляет понимание квантовой механики и обещает улучшить квантовые компьютеры, снизив их энергозатраты. Платформа ультрахолодных атомов открывает новые горизонты для изучения природы информации, энергии и Вселенной. Следите за новостями квантовой физики — мы на пороге революционных открытий!