Физики изучили запутанность квантового «семафора» в квантовой «Жизни»
Физики исследовали эволюцию клеточного автомата в игре «Жизнь» в квантовом режиме. Они рассмотрели три различные стартовые конфигурации, одна из которых оказалась квантовым «семафором», и смоделировали, как при этом распределяется квантовая информация и квантовая запутанность. Исследование опубликовано в Physical Review A.
Жизнь невозможна без самовоспроизводимости. Чтобы уловить фундаментальные свойства этого процесса, математики придумали идею клеточных автоматов — ячеечных систем, где состояние ячеек зависит от состояния ее соседей на предыдущем шаге. Джон Конвей максимально упростил эту концепцию, изобретя знаменитую математическую игру «Жизнь». Подробнее об этой игре и трудах Конвея читайте в материале «Полет глайдера».
Со временем учеными были обнаружены в природе системы, которые функционируют по принципу клеточных автоматов. Это стало поводом задуматься, как «Жизнь» можно использовать в практических приложениях. Отдельный вопрос, который интересует физиков, заключается в том, как будут вести себя клеточные автоматы в квантовом режиме. В частности, они пытаются разобраться, как в таких условиях будет эволюционировать квантовая информация и квантовая запутанность.
Для этого Петер-Максимилиан Ней (Peter-Maximilian Ney) из Саарского университета вместе с коллегами из Италии рассмотрел одномерную модификацию игры «Жизнь», которая управляется законами квантовой механики. Физики сравнили квантовую и классическую динамику такой системы для нескольких начальных конфигураций. Применив методы квантовой информатики, они исследовали распределение квантовой запутанности по цепи.
У классической «Жизни» существует большое количество модификаций. Авторы остановились на одномерном элементарном клеточном автомате, который существует по правилу F12. Согласно ему клетка меняет свое состояние только тогда, когда из четырех ее соседей (двух ближайших и двух следующих за ближайшими) живы два или три.
Квантовая модификация такого автомата может быть представлена в виде цепочки спинов 1/2, где направление спина вниз соответствует мертвой клетке, а вверх — живой. Физики построили гамильтониан, который обеспечивает выбранные правила, и записали с ним динамическое уравнение Шрёдингера, которое интегрировали обычными методами решения дифференциальных уравнений, а также с помощью моделирования тензорных сетей.
Ученые изучили то, как поведет себя квантовый автомат для трех разных типов начальных состояний: маленького и большого кластера клеток и случайного распределения клеток. Так, начальное состояние, содержащее в себе две клетки, разделенные пустым интервалом, в классическом случае начинает активно размножаться, распространяясь со средней скоростью равной половине клетки на шаг игры. В квантовом же случае автомат вел себя совсем иначе: большая вероятность встретить живую клетку была локализована лишь в окрестности первых клеток. Более того, эта вероятность менялась со временем по периодическому закону, что делало ее квантовым аналогом простейшего осциллятора типа «мигалка» (в другом варианте «семафор»).
Поведение больших кластеров также отличилось для классических и квантовых законов. В первом случае кластер расширяется, разбиваясь на несколько более мелких. Во втором кластер, наоборот, уменьшается в размере, оставаясь неделимым. Населенность при этом равномерно распределяется по цепочке. Похожим образом ведет себя случайное распределение клеток, однако оно имеет несколько иной характер эволюции населенности. Во всех трех случаях физики также рассчитывали энтропию запутанности для описания корреляций, а также функцию кластеризации и усредненную функцию совпадений.
Ранее мы уже рассказывали, как клеточные автоматы помогли понять движение пешеходов, ассимиляцию языков и динамику жидкости.
Марат Хамадеев
Результат получила коллаборация Belle II
Выход за пределы Стандартной модели — важнейшая поисковая задача физиков, занимающихся элементарными частицами. В первую очередь они ориентируются на существующие крупные аномалии, например, темную материю. Множество расширений Стандартной модели опирается на введение новых невидимых бозонов, которые могли бы стать такой материей. Один из процессов, где такие бозоны могли бы себя проявить — это распад тау-лептона. Физики знают, что этот тяжелый лептон распадается на электрон или мюон и соответствующий набор нейтрино. Ряд теорий, однако, предсказывает альтернативный канал распада, в котором вместо нейтрино рождается темный бозон. Проверить эту гипотезу вызвались физики из коллаборации Belle II, работающие на лептонном коллайдере SuperKEKB. В ходе измерительной кампании, длящейся с 2019 по 2020 год, ученые собрали данные о более, чем 57 миллионах событий, в которых сталкивающиеся электроны и позитроны превращаются в таон-антитаонные пары при энергии в системе центра масс, равной 10,58 гигаэлектронвольта. Интегральная светимость эксперимента составила 62,8 обратного фемтобарна. Физиков интересовали коэффициенты ветвления процессов с участием темных бозонов, деленные на соответствующие коэффициенты для известных процессов. Авторы протестировали собранные данные для бозонов в диапазоне масс от 0 до 1,6 гигаэлектронвольта и не нашли подтверждения этой гипотезе. Результат работы физиков накладывает новые ограничения на отношения коэффициентов ветвления: (6−36)×10−3 для распада на электрон и (3−34)×10−3 для распада на мюон с доверительным интервалом 95 процентов. Японский коллайдер SuperKEKB — это модернизированная версия его предшественника, коллайдера KEKB. Он был снова запущен после семи лет ремонта в 2018 году. С тех пор на нем было получено множество новых результатов, например, уточненное время жизни очарованного лямбда-бариона.