Международная группа ученых изучила, как память функционирует в квантовых системах и как она меняется с течением времени. Исследование показало, что наличие памяти в квантовом процессе зависит от того, как его рассматривать. С одной стороны, может показаться, что процесс не обладает памятью. С другой стороны, следы прошлого поведения все же видны. Эти открытия открывают новые возможности для исследований в области квантовой науки и новых технологий.

В классической физике память определяется довольно просто. Если будущее поведение системы зависит только от ее текущего состояния, то считается, что у нее нет памяти. Если предыдущие состояния продолжают влиять на последующие, то говорят, что у системы есть память.

Квантовая физика усложняет эту картину. Квантовые системы могут хранить и передавать информацию способами, не имеющими аналогов в классической науке. Кроме того, измерение — это не просто пассивное наблюдение. Оно играет активную и фундаментальную роль в эволюции квантовых систем.

Переосмысление понятия памяти в квантовой механике

В исследовании, опубликованном в PRX Quantum, ученые из Университета Турку в Финляндии, Миланского университета в Италии и Торуньского университета имени Николая Коперника в Польше переосмыслили значение понятия «память» в квантовом мире.

«Наша работа показывает, что память — это не единое понятие, а явление, которое может проявляться по-разному в зависимости от того, как описывается эволюция системы», — говорит первый автор исследования, аспирант Федерико Сеттимо из Университета Турку.

Две точки зрения, разные особенности памяти

На протяжении многих лет ученые изучали эффекты памяти, уделяя особое внимание тому, как квантовые состояния меняются с течением времени. В рамках этой концепции, впервые предложенной Эрвином Шрёдингером, состояние системы рассматривается как центральный объект, который эволюционирует.

Однако квантовая теория предлагает и другую, не менее фундаментальную точку зрения, разработанную Вернером Гейзенбергом. Вместо того чтобы отслеживать изменения состояний, этот подход рассматривает эволюцию наблюдаемых величин. Наблюдаемые величины — это измеримые физические величины, которые фиксируются в ходе экспериментов.

Несмотря на то, что оба подхода дают одинаковые прогнозы относительно результатов экспериментов, новое исследование показывает, что они по-разному описывают память.

Команда исследователей обнаружила, что это различие напрямую влияет на то, как можно идентифицировать память. Некоторые эффекты памяти становятся заметными только при изучении эволюции квантовых состояний. Другие проявляются только при изучении поведения наблюдаемых величин.

Таким образом, один и тот же квантовый процесс может выглядеть как не зависящий от памяти при одном описании и зависящий от памяти при другом. Это открытие говорит о том, что квантовая память устроена сложнее, чем считалось ранее, и её нельзя понять, изучая только квантовые состояния.

Значение для квантовых технологий

«Наши открытия открывают новые возможности для изучения динамики квантовых систем. Более того, наша работа имеет значение не только с точки зрения фундаментальной важности для квантовых технологий, в которых внешняя среда вызывает шумы и эффекты памяти. Понимание того, как можно зафиксировать память, крайне важно для разработки стратегий по снижению уровня шума или использованию эффектов окружающей среды в реальных квантовых устройствах», — говорит профессор теоретической физики Юрки Пиило из Университета Турку.

С практической точки зрения, квантовые устройства постоянно взаимодействуют с окружающей средой, что приводит к возникновению шума и эффектам памяти. Более четкое понимание того, как обнаруживать и интерпретировать эти эффекты, может помочь исследователям уменьшить нежелательное влияние или даже использовать взаимодействие с окружающей средой для повышения производительности.

В целом исследование проливает свет на ключевую особенность квантовой динамики и показывает, как уникальный квантовый характер временной эволюции меняет даже такие базовые понятия, как память.