Квантовые системы могут одновременно помнить и забывать

Международная группа ученых, изучив работу памяти в квантовых системах, пришла к неожиданному выводу. Их исследование показывает, что квантовый процесс может казаться полностью лишенным памяти при одном взгляде, но при этом сохранять её при рассмотрении под другим углом. Это открытие прокладывает путь для новых направлений исследований в квантовой науке и технологиях.

В классической физике идея памяти прямолинейна. Система считается не имеющей памяти, если её будущее поведение зависит только от текущего состояния. Если же прошлые состояния продолжают влиять на происходящее, говорят, что у системы есть память.

В квантовой физике всё гораздо менее однозначно. Квантовые системы могут хранить и передавать информацию способами, не имеющими классических аналогов, а сами измерения играют ключевую роль в эволюции этих систем. Из-за этого определение памяти в квантовой механике оставалось сложной задачей.

В исследовании, опубликованном в журнале PRX Quantum, ученые из Университета Турку (Финляндия), Миланского университета (Италия) и Университета Николая Коперника в Торуни (Польша) пересмотрели концепцию памяти в квантовых системах.

«Наша работа показывает, что память — это не единое понятие, а может проявляться по-разному в зависимости от того, как описывается эволюция системы», — говорит ведущий автор, докторант Федерико Сеттимо из Университета Турку.

Ученые давно изучали память, отслеживая, как квантовые состояния меняются со временем — подход, основанный на работах Эрвина Шрёдингера. Однако квантовая теория предлагает и другую, не менее важную концепцию, разработанную Вернером Гейзенбергом. Вместо состояний эта перспектива рассматривает, как эволюционируют наблюдаемые величины, то есть измеримые свойства в экспериментах.

Хотя оба подхода дают одинаковые экспериментальные результаты, новое исследование показывает, что они не взаимозаменяемы, когда речь идет об описании памяти.

Команда обнаружила, что эти две перспективы могут выявлять разные типы памяти. Некоторые эффекты памяти проявляются только при анализе эволюции квантовых состояний, в то время как другие становятся видны лишь при фокусировке на наблюдаемых величинах.

Это означает, что квантовая система может казаться лишенной памяти в одном описании, но демонстрировать явные признаки памяти в другом. Это говорит о том, что квантовая память сложнее, чем считалось ранее, и её нельзя полностью понять, рассматривая только квантовые состояния.

«Наши выводы открывают новые исследовательские пути в динамике квантовых систем. Более того, наша работа имеет значение не только для фундаментальной науки, но и для квантовых технологий, где внешняя среда создает шум и эффекты памяти. Знание того, как можно зафиксировать память, необходимо для разработки стратегий по снижению шума или использованию воздействий окружающей среды в реальных квантовых устройствах», — говорит профессор теоретической физики Юрки Пиило из Университета Турку.

Проясняя, как работает память в квантовых системах, исследование проливает новый свет на фундаментальный аспект квантовой динамики. Оно также подчеркивает, как уникальная природа квантовой эволюции во времени меняет даже базовые понятия, такие как память, что может иметь последствия для будущих технологий.