Många kända experiment har visat att den enkla handlingen att observera ett kvantsystem kan förändra systemets egenskaper. Detta fenomen, kallade "observatörseffekten, "visas, till exempel, när Schrödingers katt blir antingen död eller levande (men inte längre båda) efter att någon tittat in i lådan. Observationen förstör överlagringen av kattens tillstånd, eller med andra ord, kollapsar vågfunktionen som beskriver sannolikheten för att katten är i vart och ett av de två tillstånden.

I ett nytt papper, fysiker har vidare undersökt exakt hur mätningar påverkar kvantinvikling, som i detta sammanhang motsvarar i vilken utsträckning ett system befinner sig i en superposition. Tidigare studier har visat att när ett kvantsystem lämnas ensamt för att utvecklas utan någon extern inblandning, dess trasselgrad tenderar att öka. Det är, kvantsystem tenderar att driva över tiden till tillstånd med en stor grad av kvantöverlagring.

Å andra sidan, att göra en mätning på ett intrasslat tillstånd tenderar att minska sin trassel. Detta händer eftersom en mätning på ett centrifugeringsläge (till exempel) kollapsar som snurrar till ett bestämt tillstånd, vilket gör att snurren lossnar från de andra snurrningarna, vars stater förblir i en superposition. Detta minskar mängden trassel i systemet totalt sett.

I det nya papperet fysikerna har visat via datorsimuleringar och teoretiska argument att, när mätningar görs med en hastighet som överstiger ett kritiskt värde, sker en mätinducerad fasövergång. Detta får systemet att kraftigt övergå från en "intrassling" -fas, där mängden trassel växer kontinuerligt över tiden, till en "avkopplande" fas, där en viss förtrollning fortfarande existerar, men dess tillväxttakt sjunker till noll.

Fysikerna, Brian Skinner på MIT, Jonathan Ruhman vid MIT och Bar-Ilan University, och Adam Nahum vid Oxford University, har publicerat sin uppsats om fasövergången för intrassling i ett nyligen utgåva av Fysisk granskning X .

"En av fysikens stora framgångar är dess förmåga att beskriva fasövergångar - den plötsliga förändringen av materialegenskaper när någon extern parameter varieras, som att vatten plötsligt fryser till is när det sjunker under 32 grader Fahrenheit, "Berättade Skinner Phys.org . "Det vi har visat är att samma språk kan tillämpas på en dynamisk process som involverar kvantinvikling. Det vill säga, de dynamiska egenskaperna hos intrasslingstillväxt har också en fasövergång som en funktion av en extern parameter, som är den hastighet med vilken mätningar sker. För oss, det här är en vacker och överraskande koppling! "

Forskarna utvecklade en modell för denna mätinducerade fasövergång baserad på ett känt problem från perkolationsteorin som kallas "vandaliserat motståndsnät". I detta problem, en vandal försöker hitta det minsta antalet obligationer (kallar den "kortaste vägen" eller "minimala snittet") för att skära genom ett elnät för att helt koppla bort nätverket. Forskarna visade att problemet med att beräkna entropin av intrassling i ett kvantsystem motsvarar detta optimeringsproblem, där målet är att hitta ett minimalt snitt genom ett oordnat nätverk som delar nätverket i två delar.

I ett intrasslat system, nätverket representerar kvantsystemet, och varje mätning representerar brytning av en av bindningarna. Graden av intrassling i systemet bestäms av storleken på den minimala nedskärningen i detta nätverk, d.v.s. det totala antalet obrutna obligationer som måste brytas för att separera systemet från resten av nätverket. På sätt och vis, detta tal anger hur ofta mätningar kan göras innan ett intrasslat system övergår till den avvecklade fasen. Eftersom olika nätverk har olika antal och arrangemang av obligationer, den kritiska mäthastigheten skiljer sig åt för olika system.

Fysikerna förväntar sig att en förståelse av denna mätinducerade fasövergång i förträngningsdynamik kan ha användbara konsekvenser för att utveckla simuleringar av kvantsystem. Förträngning spelar en viktig roll för att bestämma svårigheten att simulera kvantdynamik på en klassisk dator. Som ett resultat, den intrasslade-till-avvecklade fasövergången innebär att det finns en lätt-till-hård övergång för simuleringar. Detta kan göra det möjligt för forskare att bättre förutsäga svårigheterna med simuleringar och leta efter enklare alternativ.

"Vårt fynd har en omedelbar implikation för frågan om hur svårt det är att simulera kvantsystem med klassiska datorer, "Sa Skinner." Det kan också vara viktigt för kvantdatasystem, som ofta förlitar sig på att bibehålla långdistansinvikling. "

I framtiden, forskarna planerar att undersöka hur universell deras modell är.

"Det finns olika sätt att beskriva kvantinvikling matematiskt, "Skinner sa." Det vi visade var att en av dessa beskrivningar är helt analog med ett klassiskt perkoleringsproblem. Men just nu är det oklart hur generisk denna analogi är, och om andra sätt att beskriva intrassling tillhör samma 'universalitetsklass'. Den första prioriteten just nu är att fastställa om analogin bara är ungefärlig och fungerar i vissa konstruerade situationer, eller om det är helt generiskt över ett brett spektrum av beskrivningar och experimentella inställningar. "

Se Dr Skinners Twitter -inlägg på tidningen.

© 2019 Science X Network