Najnowsza praca opublikowana w PRX Quantum pokazuje, że z pamięcią w świecie kwantowym jest trochę jak z czytaniem tej samej historii z dwóch różnych perspektyw. Można patrzeć na to, jak zmienia się sam stan układu, albo śledzić ewolucję wielkości, które da się zmierzyć. Obie drogi prowadzą do tych samych wyników eksperymentalnych, ale nie opowiadają o pamięci w identyczny sposób. To właśnie jest sedno odkrycia: ten sam proces może wyglądać na pozbawiony pamięci z jednego punktu widzenia, a z drugiego zdradzać bardzo wyraźne ślady przeszłości.
To trochę tak, jakby oglądać mecz piłkarski raz przez pryzmat ustawienia zawodników na boisku, a drugi raz wyłącznie przez trajektorie podań. Wynik spotkania się zgadza, gole są te same, statystyki końcowe też, ale sposób rozumienia samej gry zaczyna się rozjeżdżać. W klasycznej fizyce taka różnica byłaby raczej kosmetyczna. W kwantowej okazuje się czymś znacznie poważniejszym.
Schrödinger i Heisenberg nie kłócą się o wynik
Badacze wrócili do dwóch fundamentalnych sposobów opisu mechaniki kwantowej: obrazu Schrödingera i obrazu Heisenberga. W pierwszym śledzimy, jak zmienia się stan układu. W drugim patrzymy, jak ewoluują obserwable, czyli wielkości fizyczne dostępne w pomiarze. Oba opisy są równoważne na poziomie przewidywań eksperymentalnych, ale nowa praca pokazuje, że nie są równoważne wtedy, gdy próbujemy uchwycić efekty pamięci.
To bardzo ważne rozróżnienie, bo przez lata wielu fizyków traktowało pamięć kwantową trochę jak cechę, którą da się po prostu oznaczyć jedną etykietą. Jest albo jej nie ma. Tymczasem autorzy pracy pokazali, że sprawa przypomina bardziej zdjęcie wykonane w różnym świetle. Ten sam budynek o świcie wygląda inaczej niż po zmroku, choć cegły się przecież nie zmieniły. Zmienia się to, co widać od razu, a co pozostaje ukryte.
W ich ujęciu kluczowe staje się pojęcie podzielności map dynamicznych, jednego z głównych narzędzi używanych do badania niemarkowowskości, czyli właśnie wpływu przeszłości na dalszą ewolucję układu. Autorzy wykazali, że podzielność w obrazie Schrödingera i podzielność w obrazie Heisenberga nie są tym samym. Da się skonstruować dynamikę, która spełnia warunek tylko w jednym z tych obrazów. To nie jest drobne techniczne przesunięcie przecinka, ale znak, że pamięć w fizyce kwantowej jest bardziej wielowarstwowa, niż dotąd sądzono.
Pamięć ukryta działa jak ślad, którego nie widać od razu
Samo pojęcie “ukrytej pamięci kwantowej” nie pojawiło się znikąd. Już wcześniejsze badania pokazały, że w mechanice kwantowej można mieć sytuację, w której obserwowane statystyki wyglądają na całkowicie markowowskie, a więc sugerują brak pamięci, choć sam proces pod spodem wciąż z tej pamięci korzysta. Innymi słowy, układ potrafi sprawiać wrażenie krótkowidza, który reaguje tylko na bieżącą chwilę, podczas gdy w rzeczywistości dyskretnie nosi w kieszeni notatki z przeszłości.
Nowa praca rozwija tę intuicję bardzo elegancko. Pokazuje, że pytanie o pamięć nie jest wyłącznie pytaniem o sam układ, ale też o to, jaką latarką w niego świecimy. Jedna metoda badania wydobędzie pewne ślady, inna pozostawi je w cieniu. To porównanie nie jest przypadkowe, bo w świecie kwantowym pomiar nigdy nie jest biernym patrzeniem z daleka. To bardziej dotknięcie delikatnej pajęczyny niż spojrzenie przez szybę. Sam akt sprawdzania może zmienić to, co próbujemy zrozumieć.
W klasycznym świecie takie niuanse byłyby dużo mniej dramatyczne. Jeśli termometr pokazuje temperaturę, raczej nie zakładamy, że sam fakt spojrzenia na słupek rtęci przeorganizował pogodę za oknem. W mechanice kwantowej ta wygodna intuicja po prostu nie działa. I dlatego pamięć przestaje być jedną prostą etykietą, a zaczyna przypominać cechę zależną od kąta patrzenia, sposobu zadania pytania i rodzaju śladów, których w ogóle szukamy.
To nie jest tylko filozoficzna zabawa, ale problem bardzo praktyczny
Na pierwszy rzut oka można by uznać, że to wszystko brzmi jak subtelny spór teoretyków, którzy od lat wymieniają się coraz bardziej wyrafinowanymi wersjami słowa “dlaczego”. W realnych urządzeniach kwantowych układy nie żyją w sterylnej samotności. Nieustannie oddziałują z otoczeniem, a to wprowadza szum i efekty pamięci. Lepsze rozumienie tego, kiedy pamięć jest widoczna, a kiedy ukryta, może pomóc zarówno ograniczać niepożądane zakłócenia, jak i świadomie wykorzystywać niektóre wpływy środowiska.
To trochę jak z akustyką w sali koncertowej. Pogłos może zepsuć wykonanie, jeśli nikt nad nim nie panuje, ale może też dodać muzyce przestrzeni, jeśli architekt i realizator dźwięku wiedzą, co robią. W technologiach kwantowych pamięć środowiska bywa właśnie takim pogłosem. Nie zawsze jest wrogiem. Czasem problem polega tylko na tym, że źle rozpoznaliśmy, skąd naprawdę dochodzi echo.
Nieprzypadkowo autorzy podkreślają, że ich wyniki mają znaczenie dla rozwijania realistycznych urządzeń kwantowych. Jeśli chcemy budować coraz lepsze komputery kwantowe, czujniki czy systemy komunikacji, musimy rozumieć nie tylko samą informację kwantową, ale też to, kiedy przeszłość układu wraca do gry tylnymi drzwiami. A według tego badania wraca częściej i sprytniej, niż sugerował dotychczasowy, uproszczony obraz.
Źródła: Sci Tech Daily; Quantum