Один закон для всех миров. Квантовая запутанность подтверждена во всех измерениях

Учёные впервые показали, что квантовая запутанность подчиняется универсальным законам во всех измерениях — от простых одномерных систем до более сложных многомерных пространств. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.

Команда теоретиков, в которую вошли сотрудники Университета Кюсю, Калифорнийского технологического института и Института физико-математических наук Университета Токио, использовала так называемую теорию термической эффективности — подход, позаимствованный из физики частиц. Он позволяет описывать поведение сложных систем всего через несколько ключевых параметров. Впервые этот метод применили к задачам квантовой информации, и он показал, что даже в высоких размерностях запутанность ведёт себя по универсальным правилам.

Квантовая запутанность — это особая форма корреляции между частицами, при которой изменение состояния одной частицы мгновенно сказывается на другой, вне зависимости от расстояния. Это явление лежит в основе таких технологий, как квантовые вычисления и защищённая передача данных, а также играет важную роль в теоретических исследованиях, например, связанных с природой чёрных дыр.

Для описания запутанности физики используют так называемую энтропию Реньи — величину, которая позволяет оценивать сложность квантового состояния и распределение информации. Однако до сих пор такие расчёты в основном проводились только для систем в (1+1)-мерных пространствах — то есть с одной пространственной и одной временной координатой. В более высоких измерениях анализ усложняется, и лишь немногие методы способны справиться с этой задачей.

Именно здесь и проявила себя теория термической эффективности. Учёные показали, что поведение энтропии Реньи при малых значениях параметра, называемого «число реплик», определяется всего несколькими величинами — такими как, например, энергия Казимира. Это позволило проанализировать спектр запутанности — набор значений, описывающих степень связи между подсистемами — в областях, где раньше вычисления были практически невозможны.

Авторы исследования подчеркивают, что их результаты применимы не только в низких измерениях, но и в произвольных многомерных пространствах. Это открывает путь к более глубокому пониманию структуры квантовой запутанности и может повлиять на развитие как фундаментальной науки, так и практических приложений.

В перспективе такие теоретические достижения помогут создать новые подходы к моделированию многотельных квантовых систем, предложить классификацию запутанных состояний и даже приблизиться к объяснению фундаментальных вопросов квантовой гравитации.