Informacja może przemieszczać się szybciej niż pojedyncze cząstki w układach składających się z oddziałujących ze sobą bozonów.
Naukowcy z RIKEN odkryli, że w niektórych układach kwantowych informacja może z biegiem czasu rozprzestrzeniać się coraz szybciej, co podważa wcześniejsze założenia dotyczące uniwersalnych ograniczeń prędkości, takich jak te zdefiniowane przez granicę Lieba-Robinsona. Analiza ta ujawnia zasadnicze różnice w sposobie, w jaki bozony i fermiony przekazują informacje, przy czym bozony są w stanie w miarę upływu czasu przekraczać oczekiwane ograniczenia prędkości.
Kwantowa dynamika informacji
Analiza teoretyczna przeprowadzona przez fizyków RIKEN wykazała, że propagacja informacji może z czasem przyspieszyć w układach niektórych cząstek kwantowych.
Prowadzenie rozmowy Zoom z kimś Mars byłoby trudne ze względu na związane z tym opóźnienie wynoszące od 3 do 20 minut, ale w przypadku tego opóźnienia wyniosłoby ono prawie 3 godziny Uran. Zmiana na lepszego dostawcę Internetu nie pomogłaby – tych opóźnień czasowych nie da się uniknąć, ponieważ według Einsteina nic nie jest w stanie wyprzedzić światła.
Te dwa opóźnienia reprezentują dwa punkty „stożka świetlnego”, który rozciąga się od źródła promieniowania elektromagnetycznego, takiego jak światło.
Efektywne stożki świetlne w układach kwantowych
Ale co z układami złożonymi z cząstek kwantowych, które poruszają się znacznie wolniej niż światło? Czy istnieją podobne ograniczenia dotyczące szybkości rozprzestrzeniania się w nich informacji?
Dwóch fizyków zbadało tę kwestię na początku lat 70. XX wieku i wpadło na koncepcję „efektywnego stożka świetlnego” dla takich systemów. Wyznaczyli także ograniczenie prędkości propagacji zawartych w nich informacji, znane jako prędkość Lieba-Robinsona.
Ograniczenia prędkości propagacji w mechanice kwantowej
„Zasadniczo granica Lieba-Robinsona wskazuje, że wpływ lokalnych zmian w układzie kwantowym nie może rozprzestrzenić się natychmiast wszędzie; raczej efekty te ograniczają się do efektywnego stożka świetlnego określonego przez maksymalną prędkość” – wyjaśnia Tomotaka Kuwahara z Centrum Obliczeń Kwantowych RIKEN. „Ograniczenie wyznacza uniwersalne ograniczenie prędkości określające szybkość przesyłania informacji w tych systemach”.
Naukowcy zmierzyli kształty efektywnych stożków świetlnych w wielu różnych układach. Jednak jak dotąd nikt nie określił tego dla układu złożonego z „bozonów”, które oddziałują ze sobą. Bozony to cząstki kwantowe, których spin jest liczbą całkowitą; przykłady obejmują fotony, gluony i bozon Higgsa.
Zaskakujące zachowanie bozonów
Teraz Kuwahara wraz z dwoma współpracownikami przeprowadzili analizę teoretyczną oddziałujących bozonów i odkryli niespodziankę – w niektórych przypadkach informacja może przemieszczać się znacznie szybciej niż cząstki.
Kontrastuje to z innym typem cząstek kwantowych, fermionami, które mają półcałkowite wartości spinu (np. 1/2 i 3/2) i które obejmują elektrony, protony i neutrina.
„Poprzednie badania sugerowały, że bozony i fermiony zachowują się tak samo, jeśli chodzi o propagację informacji” – mówi Kuwahara. „Wyjaśniliśmy, że ta intuicja nie jest słuszna i że istnieją znaczące różnice między bozonami i fermionami”.
Analiza obejmująca 115-stronicowy dowód wykazała, że bozony mogą przesyłać informacje znacznie szybciej niż fermiony, zwłaszcza w miarę upływu czasu. „W przypadku fermionów istnieje stałe ograniczenie prędkości propagacji informacji” – mówi Kuwahara. „Ale w przypadku systemów bozonów sytuacja jest zupełnie inna – informacja może z czasem przemieszczać się szybciej”.
Kuwahara twierdzi, że to odkrycie może pomóc w odkryciu nowych faz kwantowych.
Odniesienie: „Efektywny stożek świetlny i cyfrowa symulacja kwantowa oddziałujących bozonów” autorstwa Tomotaki Kuwahary, Tan Van Vu i Keiji Saito, 21 marca 2024 r., Komunikacja przyrodnicza.
DOI: 10.1038/s41467-024-46501-7
