Как связать квантовую запутанность с холодным кофе с помощью суперкомпьютера

Москва, 16:50, 02 Фев 2020, редакция FTimes.ru, автор Сергей Кузнецов.

Физики-теоретики из Тринити обнаружили глубокую связь между одной из самых ярких черт квантовой механики — квантовой запутанностью — и термализацией, то есть процессом, в котором нечто приходит в тепловое равновесие с окружающей средой.

Их результаты опубликованы сегодня в престижном журнале Physical Review Letters.

Что такое термализация и квантовая запутанность?

Мы все знакомы с термализацией — просто вспомните, как ваш горячий кофе со временем достигнет комнатной температуры. Квантовая запутанность, с другой стороны, это отдельная тема.

Тем не менее работа, выполненная кандидатом наук доктором наук Марлоном Бренесом и профессором Джоном Голдом из Тринити в сотрудничестве с Сильвией Паппаларди и профессором Алессандро Силвой из SISSA в Италии, показывает, как эти два понятия неразрывно связаны.

Объясняя важность открытия, профессор Гольд сообщает:

«Квантовая запутанность является противоинтуитивной особенностью квантовой механики, которая позволяет частицам, которые взаимодействовали друг с другом в некоторый момент времени, стать коррелированным способом, который не возможен классически. Измерения на одной частице влияют на результаты измерений другой, даже если они находятся на расстоянии световых лет. Эйнштейн назвал этот эффект «пугающим действием на расстоянии».

«Оказывается, что запутанность не просто пугающая, но на самом деле вездесущая, и на самом деле, что еще более удивительно, мы живем в эпоху, когда технологии начинают использовать эту функцию, чтобы совершать подвиги, которые считались невозможными всего несколько прошлых лет. Эти квантовые технологии быстро развиваются в частном секторе, и такие компании, как Google и IBM, возглавляют гонку».

Какое отношение все это имеет к холодному кофе?

Профессор Гольд продолжает:

«Когда вы приготовите чашку кофе и оставите ее на некоторое время, она остынет, пока не достигнет температуры окружающей среды. Это термализация. В физике мы говорим, что процесс необратим — как мы знаем, наш когда-то теплый кофе не остынет, а затем волшебным образом не разогреется. То, как необратимость и тепловое поведение проявляются в физических системах, — это то, что очаровывает меня как ученого, поскольку оно применимо в таких масштабах, как атомы, к чашкам кофе и даже к эволюции самой Вселенной. В физике статистическая механика — это теория, которая направлена ​​на понимание этого процесса с микроскопической точки зрения. Для квантовых систем возникновение термализации, как известно, является сложным и находится в центре внимания этого текущего исследования».

И о чем говорят полученные результаты?

Профессор Гольд говорит:

«В статистической механике существуют различные способы, известные как ансамбли, в которых вы можете описать, как система нагревается, и все они считаются эквивалентными, когда у вас большая система (примерно в масштабах 10^23 атомов). Однако то, что мы показываем в нашей работе, это то, что в процессе присутствует не только запутанность, но и его структура очень разная в зависимости от того, каким образом вы решите описать свою систему. Таким образом, это дает нам возможность проверить основополагающие вопросы статистической механики. Идея носит общий характер и может быть применена к ряду систем размером от нескольких атомов до черных дыр».

Использование суперкомпьютера для решения проблемы

Марлон Бренес, кандидат наук в Тринити и автор статьи, использовал суперкомпьютеры для моделирования квантовых систем для проверки идеи.

Бренес, специалист по вычислениям, сказал:

«Численное моделирование для этого проекта, которое я выполнил, находится на пределе того, что в настоящее время можно сделать на уровне высокопроизводительных вычислений. Для запуска кода я использовал национальное учреждение ICHEC и новую машину Kay. Таким образом, будучи не только хорошим фундаментальным результатом, эта работа помогла нам действительно раздвинуть границы этого типа вычислительного подхода и установить, что наши коды и национальная архитектура работают на переднем крае».

Исследования профессора Гольда поддерживаются стипендией SFI-Royal Society University и грантом Европейского совета.