În ciuda complexității sale, fizica cuantică este un domeniu fascinant care oferă o perspectivă fără precedent asupra funcționării Universului la scară microscopică. Un studiu recent, prezentat într-un articol publicat în Physical Review Letters, a dezvăluit o relație surprinzător de simplă între două concepte centrale pentru această disciplină: transmiterea de energie și de informație prin interfețe care leagă între ele diferite teorii cuantice ale câmpurilor. Această lucrare aruncă o lumină nouă asupra modului în care interacționează aceste două elemente fundamentale.
Teoria câmpului cuantic (quantum field theory, QFT) aplică principiile teoriei relativității și mecanicii cuantice la studiul câmpurilor fizice. Ea este utilizată pentru a descrie modul în care particulele subatomice, cum ar fi electronii sau fotonii, interacționează între ele și cu câmpurile, cum ar fi câmpul electromagnetic. Este o bază esențială pentru înțelegerea nu numai a particulelor elementare, ci și a materialelor complexe. Folosind această teorie, cercetătorii pot explora interacțiunile fundamentale ale Universului și pot dezvolta noi tehnologii. În acest context, interfețele dintre diferitele teorii cuantice ale câmpului joacă un rol esențial. Aceste interfețe sunt zone de tranziție în care două teorii diferite pot interacționa sau coexista. De exemplu, acestea sunt cruciale atunci când vine vorba de înțelegerea modului în care energia sau informația sunt transferate de la un sistem la altul. Până de curând, a fost dificil să se măsoare și să se înțeleagă exact ce se întâmplă în timpul acestor tranziții. Noul studiu, realizat de cercetătorii de la Universitatea din Tokyo, a depășit aceste provocări, dezvăluind relații simple între ratele la care energia și informațiile sunt transmise prin aceste interfețe.
Pentru acest studiu, cercetătorii au analizat teoriile cuantice ale câmpurilor în două dimensiuni cu invarianță de scară, un cadru teoretic relativ simplificat care este crucial pentru înțelegerea anumitor sisteme fizice. Ei au descoperit o serie de inegalități care guvernează transmiterea energiei și a informațiilor printr-o interfață. În termeni concreți, lucrările lor au arătat că: rata de transfer a energiei este întotdeauna mai mică sau egală cu rata de transfer a informațiilor și că rata transferului de informație este, la rândul său, limitată de dimensiunea spațiului Hilbert, care măsoară numărul de stări posibile ale unui sistem de înaltă energie. Aceste inegalități simple, dar universale, sugerează că, pentru ca un sistem să transfere energie, el trebuie să transfere și informații. În plus, transmiterea de energie și informații este limitată de complexitatea sistemului, reprezentată de dimensiunea spațiului Hilbert.
Înainte de acest studiu, nu exista o relație clar definită între transferul de energie și informație în aceste sisteme complexe. Cercetătorii știau că aceste două cantități sunt importante, dar legăturile dintre ele rămâneau obscure. Datorită acestei lucrări, este acum posibil să se stabilească o legătură formală între ele, deschizând noi perspective pentru cercetarea în fizica teoretică. Aceste descoperiri sunt deosebit de importante pentru sistemele în care energia și informația trebuie să fie transmise eficient. De exemplu, în fizica particulelor, ele ar putea ajuta la o mai bună înțelegere a coliziunilor de particule de foarte înaltă energie, unde tranzițiile de la o stare la alta au loc frecvent. În fizica materiei condensate, acestea ar putea pune în lumină procesele legate de conducția electrică sau tranzițiile de fază, cum ar fi cele observate în materialele supraconductoare.
Deși această descoperire este în principal teoretică, implicațiile sale s-ar putea manifesta pe termen lung în domenii mai concrete. O mai bună înțelegere a relației dintre energie și informație în sistemele cuantice ar putea juca un rol-cheie în dezvoltarea de noi tehnologii de comunicare și de calcul cuantic. Imaginați-vă, de exemplu, calculatoare cuantice capabile să rezolve probleme complexe mult mai rapid decât calculatoarele actuale. Aceste tehnologii, aflate încă în faza de cercetare și dezvoltare, necesită o înțelegere aprofundată a mecanismelor care stau la baza transferului de informații și energie prin sisteme cuantice complexe. Acest studiu ar putea influența, de asemenea, cercetarea în domeniul termodinamicii cuantice, un domeniu emergent care explorează principiile termodinamicii la scară cuantică. De exemplu, rezultatele ar putea îmbunătăți eficiența dispozitivelor avansate de stocare a energiei, cum ar fi bateriile cuantice, prin optimizarea modului în care energia este transferată și stocată la scară microscopică.
