Atom çipini içeren vakum odası. Kredi: Thomas Schweigler, TU Wien
Kuantum parçacıkları nasıl bilgi alışverişinde bulunur? Kuantum bilgisiyle ilgili merak uyandıran bir hipotez yakın zamanda TU Wien’de gerçekleştirilen deneysel doğrulamayla doğrulandı.
Bir kalabalığın içinden, ortalamadan oldukça uzun olan birini rastgele seçecek olsaydınız, muhtemelen bu kişi ortalama ağırlığı da aşacaktır. Bunun nedeni, istatistiksel olarak, bir değişken hakkındaki bilginin genellikle bize bir başkası hakkında fikir vermesidir.
Kuantum fiziği, bu korelasyonları başka bir düzeye taşıyarak farklı nicelikler arasında daha da güçlü bağlantılar kurar: farklı parçacıklar veya çok büyük bir kuantumun parçaları sistem belirli miktarda bilgiyi “paylaşabilir”. Bu merak uyandıran teorik öncül, bu “karşılıklı bilginin” hesaplanmasının şaşırtıcı bir şekilde sistemin genel hacminden değil, yalnızca yüzeyinden etkilendiğini öne sürüyor.
Bu şaşırtıcı sonuç, TU Wien’de deneysel olarak doğrulandı ve 1999’da yayınlandı. Doğa Fiziği. Deneye teorik girdi ve yorumu Garching’deki Max-Planck-Institut für Quantenoptik, FU Berlin, ETH Zürich ve New York Üniversitesi’nden geldi.
Kuantum bilgisi: Klasik fiziğin izin verdiğinden daha güçlü bir şekilde bağlantılı{10 }
Viyana Kuantum Bilimi ve Teknolojisi Merkezi’nden (VCQ) Mohammadamin Tajik, ilk önce TU Wien Atominstitut’tan “Küçük parçacıkların etrafında uçtuğu ve küçük küreler gibi çok klasik bir şekilde davrandığı bir gaz kabı hayal edelim” diyor. mevcut yayının yazarı.
“Sistem dengedeyse, kabın farklı bölgelerindeki parçacıklar birbirleri hakkında hiçbir şey bilmezler. Bunları birbirinden tamamen bağımsız olarak düşünmek mümkündür. Bu nedenle, bu iki parçacığın paylaştığı ortak bilginin sıfır olduğu söylenebilir.”
Bununla birlikte, kuantum dünyasında işler farklıdır: Parçacıklar kuantum gibi davranıyorsa, o zaman onları artık düşünemeyebilirsiniz. birbirinden bağımsız. Matematiksel olarak bağlantılıdırlar – bir parçacığı diğeri hakkında bir şey söylemeden anlamlı bir şekilde tanımlayamazsınız.
“Bu gibi durumlar için, çok cisimli bir parçacığın farklı alt sistemleri arasında paylaşılan ortak bilgiler hakkında uzun süredir bir tahmin yapılıyor. kuantum sistemi,” diye açıklıyor Mohammadamin Tajik. “Böyle bir kuantum gazında, paylaşılan karşılıklı bilgi sıfırdan büyüktür ve alt sistemlerin boyutuna bağlı değildir; yalnızca alt sistemin dış sınırlayıcı yüzeyine bağlıdır.”
Bu tahmin sezgisel olarak görünüyor garip: Klasik dünyada durum farklıdır. Örneğin, bir kitapta yer alan bilgiler, yalnızca kitabın kapağının alanına değil, hacmine bağlıdır. Bununla birlikte, kuantum dünyasında bilgi genellikle yüzey alanıyla yakından bağlantılıdır.
Ultra soğuk atomlarla yapılan ölçümler
Prof. Jörg Schmiedmayer liderliğindeki uluslararası bir araştırma ekibi, şimdi ilk kez şunu doğruladı: çok cisimli bir kuantum sistemindeki ortak bilgi, hacim yerine yüzey alanıyla ölçeklenir. Bu amaçla, aşırı soğuk atomlardan oluşan bir bulut üzerinde çalıştılar.
Parçacıklar, mutlak sıfır sıcaklığın hemen üzerine soğutuldu ve bir atom çipi tarafından yerinde tutuldu. Son derece düşük sıcaklıklarda, parçacıkların kuantum özellikleri giderek daha önemli hale gelir.
Bilgi, sistemde giderek daha fazla yayılır ve genel sistemin ayrı ayrı parçaları arasındaki bağlantı giderek daha önemli hale gelir. Bu durumda, sistem bir kuantum alan teorisi ile açıklanabilir.
Jörg Schmiedmayer, “Deney çok zorlu,” diyor. “Kuantum fiziğinin izin verdiği ölçüde, kuantum sistemimiz hakkında tam bilgiye ihtiyacımız var. Bunun için özel bir tomografi tekniği geliştirdik. İhtiyacımız olan bilgiyi atomları biraz karıştırıp ardından ortaya çıkan dinamikleri gözlemleyerek elde ederiz. Bu, bir gölete bir kaya atıp ardından oluşan dalgalardan sıvının ve göletin durumu hakkında bilgi almaya benzer.”
Sistemin sıcaklığı mutlak sıfıra ulaşmadığı sürece (ki bu imkansızdır), bu “paylaşılan bilgiler” sınırlı bir aralığa sahiptir. Kuantum fiziğinde bu, “tutarlılık uzunluğu” ile ilişkilidir; parçacıkların kuantum olarak benzer şekilde davrandığı ve bu nedenle birbirinden haberdar olduğu mesafeyi gösterir.
“Bu aynı zamanda, paylaşılan bilgilerin neden önemli olmadığını da açıklar. klasik bir gaz,” diyor Mohammadamin Tajik. “Klasik bir çok cisim sisteminde tutarlılık ortadan kalkar; parçacıkların komşu parçacıklar hakkında artık hiçbir şey bilmediklerini söyleyebilirsiniz.” Sıcaklık ve tutarlılık uzunluğunun karşılıklı bilgi üzerindeki etkisi de deneyde doğrulandı.
Kuantum bilgisi, günümüzde kuantum fiziğinin birçok teknik uygulamasında önemli bir rol oynamaktadır. Bu nedenle deney sonuçları, katı hal fiziğinden yerçekiminin kuantum fiziksel çalışmasına kadar çeşitli araştırma alanlarıyla ilgilidir.
Referans: “Bir kuantum alan simülatöründe karşılıklı bilginin alan yasasının doğrulanması”, Mohammadamin Tajik, Ivan Kukuljan, Spyros Sotiriadis, Bernhard Rauer, Thomas Schweigler, Federica Cataldini, João Sabino, Frederik Møller, Philipp Schüttelkopf, Si-Cong Ji, Dries Sels, Eugene Demler ve Jörg Schmiedmayer, 24 Nisan 2023, Nature Physics.
DOI: 10.1038/s41567-023-02027-1