Målinger fremkalder en faseovergang i sammenfiltrede systemer

Mange berømte eksperimenter har vist, at den simple handling at observere et kvantesystem kan ændre systemets egenskaber. Dette fænomen, kaldet "observatøreffekten, " kommer til syne, for eksempel, når Schrödingers kat bliver enten død eller levende (men ikke længere begge dele), efter at nogen kigger ind i dens æske. Observationen ødelægger overlejringen af ​​kattens tilstand, eller med andre ord, kollapser bølgefunktionen, der beskriver sandsynligheden for, at katten er i hver af de to tilstande.

I et nyt papir, fysikere har yderligere undersøgt præcis, hvordan målinger påvirker kvantesammenfiltring, hvilket i denne sammenhæng svarer til, i hvilket omfang et system er i en superposition. Tidligere undersøgelser har vist, at når et kvantesystem efterlades alene til at udvikle sig uden nogen udefrakommende interferens, dens grad af sammenfiltring har en tendens til at stige. Det er, kvantesystemer har en tendens til over tid at drive ind i tilstande med en stor grad af kvantesuperposition.

På den anden side, at foretage en måling på en sammenfiltret tilstand har en tendens til at mindske dens sammenfiltring. Dette sker, fordi en måling på en spin-tilstand (for eksempel) kollapser, der spinder til en bestemt tilstand, hvilket får det spin til at blive adskilt fra de andre spins, hvis stater forbliver i en superposition. Dette reducerer mængden af ​​sammenfiltring i systemet generelt.

I det nye blad, fysikerne har demonstreret via computersimuleringer og teoretiske argumenter, at når målinger foretages med en hastighed, der overstiger en kritisk værdi, sker en måleinduceret faseovergang. Dette får systemet til at skifte skarpt fra en "sammenfiltrende" fase, hvor mængden af ​​sammenfiltring vokser kontinuerligt over tid, til en "frafiltrerende" fase, hvor der stadig eksisterer en forvikling, men dens vækstrate falder til nul.

Fysikerne, Brian Skinner ved MIT, Jonathan Ruhman ved MIT og Bar-Ilan University, og Adam Nahum ved Oxford University, har offentliggjort deres papir om faseovergangen til sammenfiltring i et nyligt nummer af Fysisk gennemgang X .

"En af fysikkens store succeser er dens evne til at beskrive faseovergange - den pludselige ændring af materielle egenskaber, når en ekstern parameter varieres, som vand, der pludselig fryser til is, når det falder til under 32 grader Fahrenheit, " fortalte Skinner Phys.org . "Det, vi har vist, er, at det samme sprog kan anvendes på en dynamisk proces, der involverer kvantesammenfiltring. Det vil sige, de dynamiske egenskaber ved sammenfiltringsvækst har også en faseovergang som funktion af en ekstern parameter, som er den hastighed, hvormed målinger sker. For os, det er en smuk og overraskende forbindelse!"

Forskerne udviklede en model af denne måleinducerede faseovergang baseret på et berømt problem fra perkolationsteorien kaldet det "vandaliserede modstandsgitter". I dette problem, en vandal forsøger at finde det mindste antal bindinger (kald den "korteste vej" eller "minimal cut") for at skære gennem et elektrisk net for fuldstændig at afbryde netværket. Forskerne viste, at problemet med at beregne entropi af sammenfiltring i et kvantesystem svarer til dette optimeringsproblem, hvor målet er at finde et minimalt snit gennem et uordnet netværk, der adskiller netværket i to dele.

I et sammenfiltret system, netværket repræsenterer kvantesystemet, og hver måling repræsenterer brud på en af ​​bindingerne. Graden af ​​sammenfiltring i systemet bestemmes af størrelsen af ​​det minimale snit i dette netværk, dvs. det samlede antal ubrudte obligationer, der skal brydes for at adskille systemet fra resten af ​​netværket. I en vis forstand, dette tal fortæller, hvor ofte målinger kan foretages, før et sammenfiltret system går over i den sammenfiltrede fase. Da forskellige netværk har forskellige antal og arrangementer af obligationer, den kritiske målerate er forskellig for forskellige systemer.

Fysikerne forventer, at en forståelse af denne måleinducerede faseovergang i sammenfiltringsdynamik kan have nyttige implikationer for udvikling af simuleringer af kvantesystemer. Entanglement spiller en vigtig rolle i at bestemme vanskeligheden ved at simulere kvantedynamik på en klassisk computer. Som resultat, den entangled-to-disentangled faseovergang indebærer eksistensen af ​​en let-til-hård overgang til simuleringer. Dette kan give forskere mulighed for bedre at forudsige sværhedsgraden af ​​simuleringer og lede efter lettere alternativer.

"Vores fund har en umiddelbar betydning for spørgsmålet om, hvor svært det er at simulere kvantesystemer ved hjælp af klassiske computere, Skinner sagde. "Det kan også være vigtigt for kvanteberegningssystemer, som ofte er afhængige af at fastholde langdistanceforvikling. "

I fremtiden, forskerne planlægger at undersøge, hvor universel deres model er.

"Der er forskellige måder at beskrive kvanteforvikling matematisk, " sagde Skinner. "Det, vi viste, var, at en af ​​disse beskrivelser er fuldstændig analog med et klassisk perkolationsproblem. Men lige nu er det uklart, hvor generisk denne analogi er, og om andre måder at beskrive sammenfiltring på tilhører samme 'universalitetsklasse'. Den første prioritet lige nu er at fastslå, om analogien kun er en omtrentlig, der virker i nogle konstruerede situationer, eller om det er fuldstændig generisk på tværs af en bred vifte af beskrivelser og eksperimentelle opsætninger."

Se Dr. Skinners Twitter-opslag på avisen.

© 2019 Science X Network