Новый теоретический подход объединяет пространство и время в квантовых системах

Квантовая механика и теория относительности — два столпа современной физики. Однако уже более века их подход к описанию пространства и времени остаётся принципиально разобщённым. Теория относительности объединяет пространство и время в единую ткань — пространство-время. В то же время традиционная квантовая теория использует разные языки: квантовые состояния (матрица плотности) для пространственных систем и квантовые каналы для описания временной эволюции.

(a) Марковское расширение QSOT, однозначно охарактеризованное в Теореме 1, позволяет сэмплировать наблюдаемые величины во времени через локализованные во времени вмешательства, т.е. квантовое снэпшотирование. (b) В отличие от этого, немарковские QSOT не имеют такой простой декомпозиции, и сэмплирование наблюдаемой в каждый момент времени требует глобального доступа к нескольким временным шагам. Автор: Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/lbf3-snp8

Недавний прорыв, совершённый доцентом Сок Хён Ли (Seok Hyung Lie) из департамента физики Национального института науки и технологий Ульсана (UNIST), предлагает способ описания квантовых корреляций как в пространстве, так и во времени в рамках единого подхода. Доцент Ли является первым автором работы, а профессор Джеймс Фулвуд (James Fullwood) из Хайнаньского университета выступил в качестве автора для корреспонденции. Их сотрудничество создаёт новые инструменты, которые могут оказать значительное влияние на будущие исследования в квантовой науке и за её пределами. Исследование было опубликовано в журнале Physical Review Letters.

В этой работе команда разработала новый теоретический подход, который рассматривает всю временную линию как одно квантовое состояние. Эта концепция вводит так называемые многокомпонентные квантовые состояния во времени. По сути, она позволяет описывать квантовые процессы в разные моменты времени как части единого, большего квантового состояния. Это означает, что как пространственно разделённые системы, так и системы, разделённые во времени, могут быть проанализированы с использованием одного и того же математического языка.

Исследователи показали, что, исходя всего из двух простых предположений — а именно, что начальное состояние ведёт себя линейно и что выполняется квантовый аналог классической условной вероятности, называемый квантовой обусловленностью, — математическая структура этих многокомпонентных состояний во времени определяется однозначно. Этот результат обеспечивает прочную основу для последовательного описания квантовых систем в пространстве и времени.

Интересно, что команда также обнаружила прямую связь между этими многокомпонентными квантовыми состояниями во времени и квазивероятностными распределениями Кирквуда–Дирака — концепцией, уже хорошо известной в квантовой физике. Эта связь открывает новые возможности для экспериментального исследования квантовых корреляций во времени, особенно с использованием современных методов, таких как квантовое снэпшотирование, которое позволяет с высокой точностью восстанавливать эти корреляции в лаборатории.

Этот новый подход устраняет разрыв между традиционными способами описания пространственных квантовых состояний и временных квантовых процессов, предлагая более целостный способ понимания поведения квантовых систем в пространстве-времени. Он открывает захватывающие перспективы для исследований в области квантовой информации, измерений и даже поиска единой теории, объединяющей квантовую механику и гравитацию.

Больше информации: Seok Hyung Lie et al, Multipartite Quantum States over Time from Two Fundamental Assumptions, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/lbf3-snp8. На arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2410.22630

Источник: Ulsan National Institute of Science and Technology

ИИ: Это фундаментальное теоретическое исследование представляет собой важный шаг на пути к созданию единого языка для описания квантового мира. Хотя до практического применения в технологиях, вероятно, ещё далеко, такая работа закладывает математический фундамент для будущих прорывов, будь то в квантовых вычислениях или в понимании самой природы пространства и времени.