věda

Fyzici objevují univerzální zákony upravující kvantové zapletení

Vědci použili tepelnou efektivní teorii k odhalení univerzálních vzorců v kvantovém zapletení napříč všemi dimenzemi. Kredit: Stock

Vědci odhalili univerzální zákony zapletení v jakékoli dimenzi. Výsledky posilují vazby mezi fyzikou částic, kvantovou teorií a gravitací.

Skupina teoretických fyziků ukázala, že kvantové zapletení se řídí univerzálními principy v každé dimenzi použitím tepelné efektivní teorie. Jejich zjištění byla nedávno zveřejněna v časopise Fyzikální kontrolní dopisykde byl papír vybrán jako návrh editorů.

„Tato studie je prvním příkladem uplatňování tepelné efektivní teorie na kvantovou informaci. Výsledky této studie prokazují užitečnost tohoto přístupu a doufáme, že tento přístup dále rozvineme k získání hlubšího porozumění kvantovému zapletení struktury,“ uvedl hlavní autor a Kyushu University Institute pro pokročilý docent studie Yuya Kusuki.

Kvantové zapletení a entropie Rényi

V klasické fyzice působí částice, které jsou daleko od sebe, samostatně. Naproti tomu kvantová fyzika ukazuje, že dvě částice mohou zůstat silně korelovány i na velké vzdálenosti, což je jev známý jako kvantové zapletení. Tento efekt je pro kvantové technologie, jako například kvantové technologie kvantové výpočetní techniky a kvantovou komunikaci, díky níž je jeho studie nezbytná pro teoretické vhled i praktické aplikace.

Kvantové zapletení v rozměrech 1+1 a 2+1
Kvantové zapletení v rozměrech 1+1 a 2+1. Kredit: Yuya Kusuki

Jedním z hlavních nástrojů pro charakterizaci zapletení je entropie Rényi, která měří složitost kvantových stavů a ​​jak jsou informace distribuovány. Hraje klíčovou roli při klasifikaci kvantových stavů, vyhodnocuje, zda lze simulovat komplexní kvantové systémy, a je také široce používán v teoretickém výzkumu černá díra Paradox a kvantová gravitace.

Navzdory své důležitosti zůstává odhalení struktury kvantového zapletení hlavní výzvou pro fyziku i kvantovou informační vědu. Většina vyšetřování byla dosud omezena na (1+1)-dimenzionální modely, což znamená jednu prostorovou dimenzi plus čas. Rozšíření této práce na vyšší rozměry se ukázalo jako mnohem složitější.

Tým vedený Yuya Kusuki na Institutu Kavli University of Tokio pro fyziku a matematiku vesmíru (Kavli IPMU, WPI) spolu s profesorem Caltech Hirosi Ooguri a výzkumník Sridip Pal, nyní prokázal univerzální vzorce i ve vyšších dimenzích. Toho dosáhli přizpůsobením teoretických metod původně vyvinutých ve fyzice částic ke studiu kvantových informací.

Použití teorie tepelné efektivní teorie

Výzkumný tým se zaměřil na tepelnou efektivní teorii, která nedávno vedla k hlavnímu pokroku v analýze teorií s vyšší dimenzi ve fyzice částic. Jedná se o teoretický rámec určený k extrahování univerzálního chování z komplexních systémů, založený na myšlence, že pozorovatelné množství lze často charakterizovat pouze malým počtem parametrů.

Zavedením tohoto rámce do teorie kvantových informací tým analyzoval chování entropie Rényi v kvantových systémech s vyššímirozměrnými. Entropie Rényi je charakterizována parametrem známým jako replika.

Tým prokázal, že v režimu malého čísla repliky je chování Rényi entropie všeobecně řízeno pouze několika parametry, jako je Casimir Energy, klíčové fyzické množství v rámci teorie. Navíc tím, že využil tento výsledek, tým objasnil chování spektra zapletení v oblasti, kde jsou jeho vlastní hodnoty velké.

Tepelná efektivní teorie a kvantové zapletení
Při pohledu na kvantové zapletení v kvantovém systému mnoha těl pomocí tepelné efektivní teorie, která odhaluje univerzální rysy kvantového zapletení. Kredit: Yuya Kusuki

Zkoumali také, jak se mění univerzální chování v závislosti na metodě použité k vyhodnocení entropie Rényi. Tato zjištění se drží nejen v (1+1) rozměrech, ale v libovolných rozměrech časoprostoru, což znamená významný krok vpřed v porozumění kvantovým zapleteným strukturám ve vyšších rozměrech.

Dalším krokem pro vědce je dále zobecnit a zdokonalovat tento rámec. Tato práce představuje první demonstraci, že tepelná efektivní teorie může být účinně aplikována na studium kvantových zapletených struktur ve vyšších rozměrech a zůstává dostatek prostoru pro další rozvoj tohoto přístupu. Zlepšením tepelné efektivní teorie s ohledem na aplikace kvantových informací by vědci mohli získat hlubší pochopení kvantových zapletených struktur ve vyšších dimenzionálních systémech.

Na aplikované straně mohou teoretické poznatky získané z tohoto výzkumu vést ke zlepšení numerických simulačních metod pro kvantové systémy s vyšší dimenzi, navrhnout nové principy pro klasifikaci kvantových stavů mnoha těl a přispívat k kvantově-informačnímu teoretickému porozumění kvantové gravitaci. Tento vývoj má příslib pro široké a působivé budoucí aplikace.

Reference: „University of Rényi entropie v teorii konformního pole“ od Yuya Kukuki, Hirosi Ooguri a Sridip Pal, 5. srpna 2025. Fyzikální kontrolní dopisy.
Dva: 10.1103/FSG7-ABS7Q

Tento výzkum byl částečně podpořen ministerstvem energetiky USA, Úřadem pro vědu, Úřadem fyziky s vysokou energií, pod číslem ceny DE-SC0011632 a Institutem pro teoretickou fyziku Walter Burke v Caltech. Hirosi Ooguri je také částečně podporován cenou Simons Investigator Award (MP-SIP-00005259) a Granty JSPS v Aid for Scientific Research 23K03379. His work was performed in part at the Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe at the University of Tokyo, which is supported by the World Premier International Research Center Initiative, MEXT, Japan, at the Kavli Institute for Theoretical Physics (KITP) at the University of California, Santa Barbara, which is supported by grant NSF PHY-2309135, and at the Aspen Center for Physics, which je podporován NSF Grant PHY-1607611. Yuya Kusunoki je také podporován programem Inamori Frontier na Kyushu University a JSPS Kakenhi Grant Number 23K20046.

Nikdy nezmeškáte průlom: Připojte se k zpravodaji Scitechdaily.

Zdrojový odkaz

Related Articles

Back to top button