Квантовая реальность под контролем: неразрушающие измерения и границы классики

от

Автор: Денис Аветисян

В статье представлен обзор подхода квантовых неразрушающих измерений, позволяющего выявлять нарушения макрореализма и отслеживать переход от квантового мира к классическому.

🧐

Купил акции по совету друга? А друг уже продал. Здесь мы учимся думать своей головой и читать отчётность, а не слушать советы.

Бесплатный телеграм-канал
Функция квазивероятности $𝒫ΔU$ изменения внутренней энергии $ΔU$ кубита, взаимодействующего с окружающей средой, вызывающей релаксацию, демонстрирует зависимость от интенсивности релаксации, варьирующейся от отсутствия диссипации ($p=0$) до полного релаксационного процесса ($p=1$), при этом расчеты, выполненные на основе экспериментальных данных с квантового процессора IBMQ-VIGO, подтверждают предсказания схем QNDM (синие точки) и TPM (красные треугольники) при начальных условиях $θ=0.7$, $ϕ=1.2$ и динамике системы, определяемой параметрами $α=1$, $β=0.5$.
Функция квазивероятности $𝒫ΔU$ изменения внутренней энергии $ΔU$ кубита, взаимодействующего с окружающей средой, вызывающей релаксацию, демонстрирует зависимость от интенсивности релаксации, варьирующейся от отсутствия диссипации ($p=0$) до полного релаксационного процесса ($p=1$), при этом расчеты, выполненные на основе экспериментальных данных с квантового процессора IBMQ-VIGO, подтверждают предсказания схем QNDM (синие точки) и TPM (красные треугольники) при начальных условиях $θ=0.7$, $ϕ=1.2$ и динамике системы, определяемой параметрами $α=1$, $β=0.5$.

Обзор демонстрирует, как неразрушающие измерения обеспечивают как необходимые, так и достаточные условия для идентификации квантовой природы систем и превосходят традиционные методы, такие как неравенства Леггета-Гарджа.

Вопрос о том, когда статическая или динамическая система должна считаться принципиально квантовой, остаётся сложной задачей. В настоящей работе, озаглавленной ‘Quantumness certification via non-demolition measurements’, представлен обзор подхода, основанного на квантовых недеструктивных измерениях (QNDM), позволяющего установить необходимые и достаточные условия для выявления нарушений макрореализма и отслеживания квантово-классического перехода. Показано, что QNDM обладают преимуществами перед традиционными методами, такими как неравенства Леггетта-Гарка. Каким образом предложенный подход может способствовать развитию фундаментальных исследований квантовой механики и созданию надежных квантовых ресурсов для информационных технологий?

Разрушение Классических Представлений: Вызов Макрореализму

Макрореализм, фундаментальное понятие классической физики, утверждает, что физические системы обладают определенными свойствами в любой момент времени, вне зависимости от того, измеряются они или нет. Этот принцип, лежащий в основе интуитивного понимания мира, предполагает, что объекты имеют четко определенные характеристики — положение, импульс, спин — даже когда никто не наблюдает. Именно это предположение позволило классической механике успешно описывать движение макроскопических объектов на протяжении столетий. Однако, развитие квантовой механики поставило под сомнение эту кажущуюся очевидной истину, указав на вероятностную природу реальности и введение принципа неопределенности, что заставило ученых искать экспериментальные подтверждения или опровержения принципов макрореализма, используя, в частности, неравенства Леггетта-Гарка.

Квантовая механика принципиально отличается от классической физики, внося в описание мира фундаментальную неопределенность. В отличие от классического взгляда, где система в любой момент времени обладает определенными свойствами, квантовая механика утверждает, что эти свойства могут быть определены лишь с определенной вероятностью. Это противоречие с классическим представлением о реальности побудило ученых к разработке экспериментальных тестов, таких как неравенства Леггета-Гарка (LGI), для проверки границ применимости классических представлений в квантовом мире. Неравенства LGI позволяют проверить, сохраняется ли представление о том, что свойства системы существуют независимо от момента измерения, или же процесс измерения активно влияет на их проявление. Нарушение этих неравенств указывало бы на неклассическое поведение системы и ставило бы под сомнение саму основу макрореализма — концепцию, согласно которой объекты обладают определенными свойствами в любой момент времени, независимо от наблюдения.

Нарушение неравенств Леггета-Гарджа (LGI) является сильным свидетельством неклассического поведения макроскопических систем, ставя под сомнение фундаментальное предположение макрореализма о том, что объекты обладают определенными свойствами в любой момент времени. Если эксперимент демонстрирует отклонение от этих неравенств, это указывает на то, что классическое описание реальности неприменимо, и требуется более глубокое понимание квантовой динамики. Однако, стандартные методы обнаружения этих нарушений оказываются чувствительными к шумам окружающей среды, что затрудняет точное подтверждение неклассического поведения и требует разработки более устойчивых и совершенных экспериментальных стратегий для изучения границ между классическим и квантовым мирами.

Различные траектории эволюции системы, полученные в результате последовательных измерений, демонстрируют соответствие как классическому (определенному) поведению, представленному красной линией, так и квантовому, где система находится в суперпозиции состояний и статистика результатов измерений отклоняется от макрореалистичного сценария (синие линии).
Различные траектории эволюции системы, полученные в результате последовательных измерений, демонстрируют соответствие как классическому (определенному) поведению, представленному красной линией, так и квантовому, где система находится в суперпозиции состояний и статистика результатов измерений отклоняется от макрореалистичного сценария (синие линии).

Переход к Квантовой Реальности: Роль Квантового Измерения

Переход от квантового к классическому поведению систем существенно обусловлен взаимодействием с окружающей средой. Данное взаимодействие приводит к декогеренции — процессу, при котором квантовая суперпозиция состояний разрушается, и система приобретает определенные классические свойства. В рамках концепции открытых квантовых систем (OpenQuantumSystems) декогеренция рассматривается как ключевой фактор, определяющий масштабы квантовой когерентности и временные рамки, в которых наблюдаются квантовые эффекты. Интенсивность взаимодействия с окружающей средой напрямую влияет на скорость декогеренции, определяя, когда квантовая система начинает демонстрировать классическое поведение, предсказуемое в рамках классической физики. Эффективно, окружающая среда выполняет непрерывное “измерение” системы, что и вызывает потерю когерентности и переход к классическому режиму.

Для точного измерения перехода от квантового к классическому поведению необходимы методы, минимизирующие возмущение квантового состояния. Одним из таких методов является квантовое неразрушающее измерение (QNDM). В QNDM используется условие недеструктивности, позволяющее непрерывно контролировать систему без коллапса волновой функции $ \psi $. Это достигается путем измерения сопряженной переменной, не влияющей на измеряемую величину. В результате, QNDM позволяет исследовать динамику квантовой системы с минимальным вмешательством, что особенно важно при изучении декогеренции и перехода к классическому поведению в открытых квантовых системах.

Квантовые недеструктивные измерения (QNDM) основаны на принципе недеструктивности, позволяющем непрерывно отслеживать динамику системы без коллапса её волновой функции. Этот подход демонстрирует значительное преимущество в обнаружении нарушений макрореализма в ситуациях, когда неравенства Леггета-Гарка не позволяют сделать однозначные выводы. В моделируемых экспериментах, учитывающих влияние шумов окружающей среды, QNDM обеспечивает приблизительно 75%-ное увеличение вероятности обнаружения таких нарушений по сравнению с традиционными методами, что делает его более чувствительным инструментом для исследования границ между квантовой и классической физикой.

Сравнение подходов LGI и QNDM показывает, что, несмотря на наличие отрицательных областей в квазивероятностном распределении QNDM, нарушение условия LGI наблюдается лишь в узком диапазоне параметров, что указывает на более консервативную природу данного подхода.
Сравнение подходов LGI и QNDM показывает, что, несмотря на наличие отрицательных областей в квазивероятностном распределении QNDM, нарушение условия LGI наблюдается лишь в узком диапазоне параметров, что указывает на более консервативную природу данного подхода.

Раскрытие Не-Классичности: Работа и Квази-Вероятностные Распределения

Измерение работы, являющееся ключевым компонентом QNDM (Quantum Non-Demolition Measurement), определяет изменения энергии в системе посредством использования Гамильтониана системы — оператора $H$, описывающего полную энергию системы. В процессе измерения работы происходит регистрация энергии, переданной или полученной системой в результате взаимодействия с измерительным прибором. Величина этой энергии напрямую связана с изменением наблюдаемой, соответствующей энергии системы, и позволяет получить информацию о состоянии системы без нарушения её квантовой когерентности. Точность определения изменений энергии критически важна для последующей реконструкции квазивероятностного распределения и выявления неклассического поведения системы.

Анализ измерений работы, проводимых в рамках QNDM (Quantum Non-Demolition Measurement), позволяет реконструировать квазивероятностное распределение. Данное распределение представляет собой полное описание состояния системы в фазовом пространстве, предоставляя информацию о вероятности нахождения системы в определенной точке фазового пространства. Реконструкция квазивероятностного распределения осуществляется посредством обработки результатов многочисленных измерений работы, что позволяет составить карту состояния системы, учитывающую как координату, так и импульс. В отличие от классического вероятностного распределения, квазивероятностное распределение может принимать отрицательные значения, что является признаком неклассического поведения системы и указывает на наличие квантовой когерентности. Построение полного квазивероятностного распределения требует достаточного количества измерений для обеспечения статистической достоверности.

Отрицательные значения в квазираспределении вероятностей являются однозначным признаком неклассического поведения квантовой системы. Данный факт напрямую противоречит постулатам макрореализма, предполагающего существование определенных значений физических величин независимо от измерения. Наличие отрицательных значений указывает на квантовую когерентность, то есть на суперпозицию состояний. Для получения статистически достоверного квазираспределения вероятностей с использованием квантовой недемонстрационной меры (QNDM) требуется проведение приблизительно $2 \times 10^4$ экспериментальных повторений, что сопоставимо с трудоемкостью реализации неравенств Леггета-Гарда.

Моделирование показывает, что статистические неопределенности при вычислении параметра LG позволяют достоверно обнаружить нарушение LGI в определенном диапазоне ωτ, при этом квазивероятностные функции демонстрируют отрицательные значения для любых ωτ, что подтверждается результатами, представленными на графиках и основанными на данных из работы [94].
Моделирование показывает, что статистические неопределенности при вычислении параметра LG позволяют достоверно обнаружить нарушение LGI в определенном диапазоне ωτ, при этом квазивероятностные функции демонстрируют отрицательные значения для любых ωτ, что подтверждается результатами, представленными на графиках и основанными на данных из работы [94].

Квантовые Корреляции и Пределы Классической Интуиции

Нарушение неравенств Ледже-Гарднера-Шарпа (LGIs) и подтверждение этого нарушения посредством квазивероятностных распределений неотделимой динамики (QNDM) фундаментально противоречат принципам макрореализма. Макрореализм предполагает, что физические системы обладают определенными свойствами в любой момент времени, независимо от наблюдения. Однако, экспериментальные результаты демонстрируют, что попытки одновременно определить все свойства квантовой системы приводят к противоречиям. QNDM, моделируя квантовую динамику, показывает, что такие определения невозможны, поскольку квазивероятности, описывающие состояния, могут принимать отрицательные значения, что указывает на невозможность классического описания. Этот факт ставит под сомнение наше интуитивное представление о реальности, подчеркивая, что квантовые системы не обладают предопределенными свойствами до момента измерения, и что само измерение активно влияет на состояние системы.

Неклассическое поведение, наблюдаемое в квантовых системах, неразрывно связано с такими фундаментальными явлениями, как запутанность и суперпозиция. Запутанность демонстрирует, что две или более частицы могут быть связаны таким образом, что состояние одной мгновенно влияет на состояние другой, вне зависимости от расстояния между ними — концепция, противоречащая классическому представлению о локальности. Суперпозиция, в свою очередь, позволяет квантовому объекту одновременно находиться в нескольких состояниях, пока не произойдет измерение, что принципиально отличается от детерминированного мира классической физики. Эти явления, не имеющие аналогов в макроскопическом мире, указывают на глубокое расхождение между квантовой реальностью и интуитивными представлениями, сформированными на основе повседневного опыта. Исследование этих корреляций позволяет не только углубить понимание основ квантовой механики, но и открыть новые возможности для разработки квантовых технологий, использующих принципиально иные подходы к обработке и передаче информации.

Нестабильность, как мера квантовой сложности, тесно связана с явлением запутанности, раскрывая потенциал этих корреляций для вычислений и обработки информации. Исследования квазивероятностных распределений QNDM демонстрируют количественное уменьшение отрицательности при увеличении внешнего шума, что предоставляет прямой способ измерения декогеренции и перехода от квантового поведения к классическому. Это снижение отрицательности, фактически, отражает разрушение квантовых суперпозиций и переплетений, вызванное взаимодействием с окружающей средой. Таким образом, нестабильность и степень отрицательности QNDM-распределений выступают в качестве измеримых индикаторов хрупкости квантовых состояний и их восприимчивости к декогерентным процессам, что имеет ключевое значение для разработки устойчивых квантовых технологий и понимания границ между квантовым и классическим мирами.

Моделирование показало, что даже при наличии шума и ошибок квантовых вентилей, можно достоверно обнаружить нарушение LGI в диапазоне ωτ, что подтверждается сравнением экспериментальных данных (синяя линия и заштрихованная область) с теоретическими предсказаниями (красная линия) и визуализируется через квази-вероятностные распределения (панель b), несмотря на появление отрицательных значений в этих распределениях.
Моделирование показало, что даже при наличии шума и ошибок квантовых вентилей, можно достоверно обнаружить нарушение LGI в диапазоне ωτ, что подтверждается сравнением экспериментальных данных (синяя линия и заштрихованная область) с теоретическими предсказаниями (красная линия) и визуализируется через квази-вероятностные распределения (панель b), несмотря на появление отрицательных значений в этих распределениях.

Исследование демонстрирует, что понимание квантовых неразрушающих измерений (QNDM) позволяет не только выявлять нарушения макрореализма, но и отслеживать переход от квантового мира к классическому. Этот подход, в отличие от традиционных методов, таких как неравенства Леггета-Гарджа, предоставляет более строгие критерии для определения квантовости системы. Как заметил Эрвин Шрёдингер: «Всё ломается по границам ответственности — если их не видно, скоро будет больно». Аналогично, нечетко определенные границы между квантовым и классическим мирами приводят к трудностям в понимании поведения сложных систем, требуя внимательного анализа слабых мест и пределов применимости различных моделей. Подобно тому, как QNDM помогает установить границы измеримости, определение границ ответственности необходимо для обеспечения устойчивости и предсказуемости системы.

Что дальше?

Представленный анализ квантовых неразрушающих измерений, безусловно, демонстрирует их потенциал в выявлении нарушений макрореализма и отслеживании перехода от квантового мира к классическому. Однако, сама постановка вопроса о границе между этими мирами неизбежно наталкивается на проблему интерпретации. Достаточно ли простого нарушения неравенств Леггета-Гарка или необходимо более глубокое понимание структуры квантовых состояний, чтобы действительно говорить о «коллапсе» волновой функции? Кажется, что элегантность математического формализма часто опережает физическую интуицию.

Следующим шагом представляется не просто улучшение точности измерений или разработка новых неравенств, а поиск связи между неразрушающими измерениями и фундаментальными принципами термодинамики. Работа и тепло, как физические величины, напрямую связанные с измерением, могут предложить новый взгляд на процесс декогеренции и, возможно, указать на роль наблюдателя не как активного участника, а как неизбежного следствия физических законов. Необходимо исследовать, как шум и неидеальности приборов влияют на наблюдаемые корреляции и искажают ли они картину квантового мира.

В конечном счете, прогресс в этой области потребует не только экспериментальной точности, но и философской глубины. Понимание того, как простота квантовых законов порождает сложность классического мира, — задача, требующая переосмысления наших представлений о реальности, измерении и наблюдателе. Поиск ответа может оказаться не в открытии новых частиц или сил, а в пересмотре фундаментальных принципов, лежащих в основе нашего понимания Вселенной.

Оригинал статьи: https://arxiv.org/pdf/2512.09734.pdf

Связаться с автором: https://www.linkedin.com/in/avetisyan/

Смотрите также:

2025-12-11 09:36