Новая теория квантовых подсистем
Теоретическое исследование, в соавторстве с Александром Смитом, адъюнкт-профессором физики, и Шади Али Ахмадом '22, предлагает новую основу для идентификации подсистем и корреляций способом, совместимым с общей теорией относительности.
Авторы и права: Письма с физическим обзором (2022 г.). DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.170401
Изучая сложную систему, ученые выделяют более мелкие части, называемые подсистемами, в которых они могут разобраться. Изучая подсистемы и соотношения между ними, они реконструируют понимание целого.
Этот подход с большим успехом использовался для объяснения явлений и разработки приложений, основанных на квантовой механике — физике материи и энергии в масштабе атома или меньше. Но оно в основном описывает системы, действующие в мире, где время абсолютно.
Этого недостаточно при описании сценариев, учитывающих общую теорию относительности Эйнштейна, где время относительно и тесно переплетено с пространством в четырехмерном пространстве-времени.
Теперь теоретическое исследование, в соавторстве с Александром Смитом, адъюнкт-профессором физики, и Шади Али Ахмадом '22, предлагает новую основу для идентификации подсистем и корреляций способом, совместимым с общей теорией относительности.
Их работа может быть применена при построении квантового описания пространства-времени, говорит Смит. Физики-теоретики уже давно стремятся объединить квантовую механику и общую теорию относительности в единую теорию квантовой гравитации. Попытки окончательно примирить эти принципиально разные теории, описывающие Вселенную, предпринимаются последние два десятилетия.
Новая структура, опубликованная в апреле в журнале Physical Review Letters, основана на предыдущей работе над подсистемами семейного профессора физики Джеймса Франка Лоренцы Виолы и ее сотрудников.
«Квантовая механика допускает корреляции, несовместимые с нашим классическим пониманием мира», — говорит Смит. По его словам, Виола и ее сотрудники дали нам новый взгляд на эти причудливые квантовые корреляции. В их рамках вместо составных строительных частей, склеенных вместе в более крупную систему, подсистемы возникают из сложной системы, основанной на видах измерений, которые можно выполнить.
Смит, Ахмад и их сотрудники применяют эту идею для создания основы для идентификации подсистем, которая согласуется с теорией относительности , и обнаруживают, что понятие подсистемы больше не является объективным.
«То, как мы разделяем систему, также относительно. Это зависит от того, кто на это смотрит», — говорит Смит. Хотя их метод в настоящее время применяется к простым системам, авторы работают над обобщением структуры.
Несколько теоретических концепций, лежащих в основе нового понимания квантовой гравитации, берут свое начало в квантовой теории информации — относительно новой области, изучающей, как можно анализировать и манипулировать информацией в квантовой системе. «Квантовая информатика дала нам совершенно новый взгляд на саму квантовую механику, — говорит Смит.
Работая со Смитом и другими исследователями, Ахмад из Бейрута, Ливан, специализирующийся в области физики и математики, использовал квантовую теорию информации для изучения ряда различных теоретических проблем.
В предыдущей работе, опубликованной в журнале Physical Review D, они первыми исследовали, как гравитационные волны — пульсации в пространстве-времени, возникающие, когда массивные астрономические объекты ускоряются до экстремальных уровней, — влияют на запутанность между системами.
Другой проект, опубликованный в журнале Physical Review A, посвящен вопросу о том, как работа — мера того, сколько энергии передается, когда сила действует на объект, — может быть определена в квантовом масштабе.
Смит говорит, что Ахмад — один из самых целеустремленных, трудолюбивых и продуктивных учеников, которых он когда-либо встречал. «Наблюдение за тем, как Шади развивает свои способности в теоретической физике за последние четыре года, было очень полезным», — говорит он.
Ахмад выиграл премию Gazzaniga Family Science Award 2022, которая отмечает научные достижения выпускника в области естественных наук. Он также является лауреатом премии кафедры физики и астрономии.
« Теория квантовой информации — это инструментарий, который мне нравится заимствовать и широко использовать», — говорит Ахмад. По его словам, обещание доступа к исследовательским возможностям и финансированию бакалавриата привлекло его в Дартмут. Сейчас Ахмад работает научным сотрудником в Дартмуте и завершает текущие проекты, готовясь к поступлению в аспирантуру.
Используя занятия в качестве трамплина, он искал наставников-исследователей на факультетах физики и математики, сотрудничая с ними по широкому кругу исследовательских тем.
«Разговор о науке с людьми формирует ваше мышление», — говорит Ахмад, у которого за плечами уже три публикации. «Я думаю, что это действительно обостряет ваш интерес».
