Квантовая физика забывания информации

В исследовании, проведённом Венским техническим университетом и Берлинским университетом, учёные измерили, что происходит при потере квантово-физической информации. Это проясняет важные связи между термодинамикой, теорией информации и квантовой физикой.

Тепло и информация — это два совершенно разных понятия, которые на первый взгляд не имеют ничего общего друг с другом. Тепло и энергия — центральные понятия термодинамики, важной области физики и даже одного из её краеугольных камней. С другой стороны, теория информации — это абстрактная тема в математике.

Но ещё в 1960-х годах физик Рольф Ландауэр смог показать, что эти два процесса тесно связаны: удаление информации неизбежно связано с обменом энергией. Вы не можете удалить данные с устройства хранения информации, не выделив тепло во внешнюю среду.

Эта удивительная связь сегодня играет важную роль в квантовой теории. Теперь исследователям из Венского технического университета впервые удалось измерить это явление в многочастичных квантовых системах, а также количественно его оценить. Тезис Ландауэра действительно подтвердился: когда квантовая система «забывает» своё состояние, когда её информация удаляется, это сопровождается обменом энтропией и энергией между квантовой системой и её окружением.

Исследование опубликовано в Nature Physics.

Удаление требует затрат энергии

«Так называемый принцип Ландауэра гласит, что удаление информации никогда не бывает бесплатным, — говорит профессор Йорг Шмидмайер из Института атомной энергии Венского технического университета. — Независимо от того, как вы храните информацию, независимо от того, насколько вы экономны и эффективны, удаление части информации всегда приводит как минимум к некоторому увеличению энтропии и, следовательно, к потере энергии».

Этот принцип играет важную роль в квантовых компьютерах и устанавливает фундаментальные ограничения для обработки информации на основе квантовой физики.

Но теперь возникает вопрос: что означает «удаление» или «забывание» в физическом смысле? В конце концов, информация может быть утеряна разными способами. Вы можете стереть информацию, написанную карандашом. Вы можете размагнитить магнитные носители данных. Но вы также можете спросить: разве физическая система не забывает информацию просто с течением времени?

Обратимая и необратимая физика

Существуют физические системы, будущее состояние которых чётко и предсказуемо следует из их текущего состояния. Например, если вы знаете положение и скорость всех планет, вы можете с большой точностью рассчитать, где будут находиться планеты через три месяца — или где они находились три месяца назад. Это означает, что никакая информация не была потеряна. Никакие данные не были удалены. В текущем состоянии системы предыдущее состояние в определённом смысле всё ещё сохраняется. В принципе, его можно восстановить.

В квантовой физике это тоже в принципе так, но только до тех пор, пока квантовая система не вступит в контакт со своим окружением. Например, когда вы измеряете состояние квантовой частицы, вы неизбежно приводите её в контакт с измерительным устройством. Информация передаётся от квантовой частицы к измерительному устройству, изменяя состояние частицы необратимым образом. Информация просачивается из частицы в окружающую среду в ходе необратимого одностороннего процесса.

Ультрахолодные атомные облака

В Венском техническом университете это явление было исследовано с помощью ультрахолодных атомных облаков. Несколько тысяч атомов рубидия были охлаждены и удерживались на месте с помощью атомного чипа. Затем внезапно были сброшены два таких атомных облака, что позволило им свободно распространиться и пересечься друг с другом.

«Теперь мы делим всю систему на две части, — говорит Амин Таджик, проводивший эксперименты. — Одна часть служит нашей квантовой системой, которую мы анализируем. Остальное определяется как окружающая среда — среда, с которой взаимодействует наша подсистема».

Благодаря точному измерению интерференции между двумя атомными облаками теперь можно увидеть, как подсистема взаимодействует со своим окружением, как теряется информация и как передаётся энтропия.

«Не существует измерительного прибора, который мог бы напрямую регистрировать эти переменные одновременно», — говорит Стефан Аймет, теоретик из Берлинского университета имени Гумбольдта и член теоретической группы, которая работала в тесном международном сотрудничестве с теоретиками, моделировавшими наблюдаемое явление и определявшими количественную связь между потоками энергии и информации.

Детальный анализ показал, что даже эта сложная многочастичная система подчиняется правилам Ландауэра. Уничтожение квантовой информации действительно сопровождается переносом энтропии и потерей энергии.

«Это важное подтверждение того, что информация и квантовая физика действительно переплетены таким захватывающим и глубоким образом, как и предполагал Рольф Ландауэр», — говорит Йенс Эйсерт, руководитель теоретической группы в Берлинском университете имени Гумбольдта. – Это также приближает нас к пониманию одного из самых фундаментальных вопросов квантовой физики. Что особенно интересно в этой работе, так это понимание информации и тепла, которые напрямую не связаны с принципом Ландауэра, поскольку это уже доказанная теорема. Но эта платформа на основе сверххолодных атомов позволяет нам количественно исследовать такие глубокие вопросы, связанные с процессом измерения, которые также будут важны для квантовых технологий».

Источник: Phys.org