Эксперимент показал, что квантовая механика и термодинамика могут быть верны одновременно
Кажется, что квантовая механика и термодинамика не могут быть верны одновременно. В новой публикации исследователи UT используют фотоны в оптическом чипе, чтобы продемонстрировать, как обе теории могут быть верны одновременно. Недавно они опубликовали свои результаты в журнале Nature Communications.
Фотонное моделирование квантового равновесия. Замкнутая квантовая система многих тел, инициализированная в состоянии произведения и претерпевающая унитарную эволюцию, порожденную гамильтонианом, обязательно остается в чистом состоянии. Однако локальные наблюдаемые могут проявлять общую термализацию. Запутанность между подсистемами нарастает до тех пор, пока через некоторое время teq каждая подсистема не перейдет в состояние максимальной энтропии. Парадигматический случай негауссового бозонного состояния, развивающегося под действием квадратичного гамильтониана, можно исследовать с помощью платформы фотонного моделирования. Полностью программируемый линейный оптический чип может обеспечить «моментальные снимки» локальной и глобальной системной динамики для произвольных моментов времени и диапазонов взаимодействия путем реализации соответствующей унитарной U(V)=e−iHt сV ∈ U( m ) для m мод.
Предоставлено: Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-38413-9
В квантовой механике время можно обратить вспять, и информация всегда сохраняется. То есть всегда можно найти предыдущее состояние частиц. Как согласовать это со вторым законом термодинамики, было сложным парадоксом. Там время имеет направление и информация тоже может быть потеряна. «Подумайте только о двух фотографиях , которые вы слишком долго держите на солнце, и через некоторое время вы уже не можете их различить», — объясняет автор Джелмер Ренема.
Теоретическое решение этой квантовой головоломки уже существовало и даже был проведен эксперимент с атомами, но теперь исследователи UT также продемонстрировали его с фотонами. «Преимущество фотонов в том, что с ними довольно легко повернуть время вспять», — объясняет Ренема. В эксперименте исследователи использовали оптический чип с каналами, по которым могли проходить фотоны. Сначала они могли точно определить, сколько фотонов было в каждом канале, но после этого фотоны перетасовали позиции.
Запутанность подсистем
«Когда мы смотрели на отдельные каналы, они подчинялись законам термодинамики и создавали беспорядок. Основываясь на измерениях на одном канале, мы не знали, сколько фотонов еще осталось в этом канале, но в целом система соответствовала квантовой механике.", - говорит Ренема. Различные каналы, также известные как подсистемы, были запутаны. Недостающая информация в одной подсистеме «исчезает» для другой подсистемы.
Доктор Джелмер Ренема — доцент исследовательской группы адаптивной квантовой оптики. В его команду входила исследовательская группа профессора доктора Йенса Эйзерта из Свободного университета Берлина, сыгравшего важную роль в демонстрации обратимости эксперимента. Недавно они опубликовали свою статью под названием «Квантовое моделирование термодинамики в интегрированном квантово-фотонном процессоре» в журнале Nature Communications.
