Международен екип с участието на д-р Марин Буков използва квантови компютри, за да провери за първи път равенството на Джарзински в система от много взаимодействащи си частици. Резултатите са публикувани в списанието Physical Review X, съобщи пресцентърът на Софийския университет "Св. Климент Охридски".
Статистическата механика е клон на физиката, който използва статистически и вероятностни методи, за да разбере поведението на голям брой микроскопични частици, като атоми и молекули в дадена система. Вместо да се фокусира върху индивидуалното движение на всяка частица, статистическата механика анализира колективните свойства на системата. Тя осигурява мост между микроскопичния свят на частиците и макроскопичния свят, който можем да наблюдаваме, обяснявайки явления, като поведението на течности и газове, фазови преходи и термодинамични свойства на материалите. Чрез статистическото разпределение на свойствата на частиците като енергия и скорост, статистическата механика ни помага да предсказваме как се държат физическите системи в по-голям мащаб, като допринася за нашето разбиране на фундаменталните принципи във физиката и химията.
Едно от най-забележителните математически отношения в статистическата механика е т.нар. равенство на Джарзински. То свързва необратимата работа, извършена в произволен термодинамичен процес, с енергията и ентропията на системата в термодинамично равновесие. Тъй като системата е свободна да напусне равновесното състояние по време на своята еволюция, равенството на Джарзински е отличен пример за това, как равновесната физика може да ограничи резултата от неравновесни процеси. Забележително в случая е, че познатият ни Втори закон на термодинамиката - основен принцип на физиката, следва директно от равенството на Джарзински. Вторият закон е твърдение за усреднените свойства на частиците в система, подложена на термодинамичен процес, и постулира, че топлината винаги тече спонтанно от по-горещите към по-студените области на системата. Равенството на Джарзински показва, че този основен закон на термодинамиката може да бъде "нарушен" при индивидуални реализации на даден процес (но никога при усредняване).
Въпреки фундаменталното си значение, експерименталните тестове на равенството на Джарзински в класически и квантови системи са изключително предизвикателни, тъй като изискват пълен контрол при манипулиране и измерване на системата. Нещо повече, доскоро напълно липсваше тест за система от много взаимодействащи квантови частици.
В ново съвместно проучване международен екип от Института "Макс Планк" за физика на комплексните системи (МПИ-ФКС), от Калифорнийския университет в Бъркли, Националната лаборатория "Лорънс Бъркли", Германския клъстер за високи постижения ML4Q, университетите в Кьолн и в Бон, и от Физическия факултет на Софийския университет "Св. Климент Охридски", идентифицираха квантовите компютри като естествена платформа за тестване на валидността на равенството на Джарзински за система от много взаимодействащи квантови частици.
Квантовият компютър е изчислително устройство, което използва принципите на квантовата механика за извършване на определени видове изчисления със скорости и нива на ефективност, които са недостижими за класическите компютри. Квантовите компютри използват квантови битове или кюбити, като основна единица информация. Следователно, всеки квантов компютър по същество представлява система от взаимодействащи си квантови частици.
За новото си прочуване изследователите са използвали квантовите битове на квантовия процесор, за да симулират поведението на квантови частици, подложени на неравновесни процеси, както е необходимо за експериментална проверка на равенството на Джарзински. Те са тествали този фундаментален принцип на природата на различни устройства и използване на различни платформи за квантови изчисления. За тяхна изненада откриват, че съответствието между теоретичните предсказания и квантовата симулация е по-точно от първоначално очакваното при наличието на изчислителни грешки, които се срещат често в настоящите квантови компютри. Получените резултати демонстрират пряката връзка между определени типове грешки, които могат да възникнат по време на квантовите изчисления, и нарушенията на равенството на Джарзински, разкривайки забележителната връзка между технологиите за квантови изчисления и този фундаментален принцип на физиката.
Физиците програмират квантов компютър, за да изследват поведението на квантов модел на система с взаимодействащи си частици (долу вляво). След като приключва симулацията на квантовия процес, имплементиран с помощта на квантова верига (горе вляво), учените измерват разпределението на механичната работата в процеса (горе вдясно). Накрая резултатите от измерването се сравняват с теоретично изчисление (долу вдясно). Този протокол предостави първия по рода си тест на равенството на Джарзински (в червената рамка) в система от множество взаимодействащи квантови частици.
