参考消息网4月16日报道 据西班牙《趣味》月刊网站3月11日报道，一项对量子系统演变的新研究挑战了关于量子物理学中记忆效应识别机制的普遍认知。关键可能在于观测该系统的视角。

  量子系统持续与环境相互作用。这种交互引入噪声，改变其演化过程，并在许多情况下在其行为中留下过去的痕迹。理解一个系统何时“记忆”或不“记忆”其历史，是量子物理学的核心问题，因为量子退相干、量子比特的稳定性及未来量子设备的运作都取决于此。

  相互作用

  芬兰、意大利和波兰研究人员的一项新研究针对此问题展开了探讨。该研究详细考察了量子系统随时间演化的过程，并提出从量子理论的两个不同角度审视该问题。作者由此分析了传统的记忆概念是否真正涵盖了系统中的所有现象，或者是否存在传统分析未能揭示的隐性特征。

  在经典物理学中，记忆的概念定义相当直接。如果系统的未来演变仅取决于其当前状态，则该系统被视为“无记忆”。相反地，如果先前状态继续影响其后续行为，则该系统被认为具有记忆。

  该概念与马尔可夫决策过程与非马尔可夫过程的区分密切相关。在马尔可夫决策过程中，信息仅单向流动：从系统向其环境传递。如果环境在后续时刻向系统反馈信息，则会产生记忆效应。开放量子系统必然与环境相互作用，而识别这些效应对于理解信息演化至关重要。

  物理学家通常通过描述系统时序演化的动态映射来研究这些现象。该研究探讨了一种称为可分性的特性，它能将系统演化分解为一系列中间步骤。正如新研究的作者所说：“动态映射的可分性是研究量子非马尔可夫性的核心概念。”

  可分性之所以重要，是因为一旦其被破坏，就可被解读为系统具有“记忆效应”的信号。如果演化过程不再具有可分性，那就意味着信息可能从环境返回系统，同时产生依赖系统过往历史背景的效应。

  两种框架

  量子力学提供了两种主要数学框架来描述系统演化：薛定谔表象与海森堡表象。两者在实验预测上等效，但聚焦于不同对象。

  薛定谔表象描述量子态随时间的变化。系统状态包含预测实验结果所需的所有信息，因此研究其演化一直是分析开放量子过程的常规方法。

  而海森堡表象则保持状态固定，描述可观测量(即实验中可测量的物理量)如何演化。在此框架下，位置、自旋或能量等量随时间发生转变。

  数十年来，量子记忆研究几乎完全聚焦于第一种方法。然而，新研究探索了当分析转向第二种方法时会发生什么。

  该研究的主要成果体现在，作者如何对比两种理论框架中可分性的行为特征。尽管两种描述在预测实验结果方面具有等效性，但用于检测记忆的数学属性在两种情况下表现不尽相同。

  研究人员证明，这两种理论框架中的可分性并非等价概念。正如论文所述：“我们的关键发现是，薛定谔表象的可分性与海森堡表象的可分性并不等价。”

  这意味着，即便是同一量子演化过程，如果对系统状态变化进行分析看似完全无记忆效应，但如果研究可观测量演化则会显现记忆效应。该现象亦可反向发生。

  文章直截了当地总结道：“动态映射在薛定谔表象下可能是可分的，但在海森堡表象下的双重映射却未必如此，反之亦然。”

  其深远影响在于，量子记忆并非物理过程的固有属性，而是取决于分析所采用的理论描述类型。

  为揭示这种差异，作者开发了新的数学工具，可量化海森堡表象中可分性原则的违背程度。

  传统基于量子态的分析测量的是区分两种不同态的难易程度。如果这种区分度在演化过程中增强，则表明环境信息已反馈至系统。

  双重场景

  新方法提出双重场景：不区分状态，而区分可能的测量。如果正确识别测量行为的概率随时间增加，则表明海森堡表象中的动态具有记忆效应。

  这种概念转变使我们能够识别传统研究中未显现的记忆效应。换言之，信息可能通过某些方式返回系统，而这些方式只有在观察可观测量演化时才会显现。

  该结果对开放量子系统研究具有重要意义。量子记忆概念用于描述环境如何影响系统，这对理解量子设备中的退相干或噪声等现象至关重要。

  如果记忆效应取决于分析框架，那么某些此前被视为马尔可夫决策过程的现象可能存在未被察觉的记忆效应。

  这一点对量子计算、量子通信和量子传感器等新兴技术尤为重要，因为环境控制是这些领域的关键因素。准确检测记忆效应有助于设计降低噪声，甚至利用特定环境交互的策略。

  该研究还指出，用于研究非马尔可夫过程的工具可能需要扩展。仅分析状态演化可能不足以捕捉量子系统的全部动态特性。

  这项研究最终表明，即便是看似确立的概念，当从量子理论的不同视角审视时，也可能呈现出新的细微差别。（编译/刘丽菲）