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四维时空的边界揭示了:量子相关与时空几何之间的联系!

  科学家探索了局部性对时空分布测量的影响,其研究成果已经发表在自然《量子信息》上。局部性是所有物理相互作用背后的一个基本原则,每个物理系统只能与它附近的其他系统相互作用,因此两个遥远物体之间的相互作用必须由“中介来协调”。例如,在人们熟悉的无线通信设备和移动电话例子中,远距离发送和接收信息,中介的作用就是电磁波。

  粒子物理学告诉我们,基本粒子的行为类似。当它们中的两个相互施加一个力时,这不是在距离上瞬间发生的,而是通过一个粒子的交换来实现,该粒子在局部起中介作用。相互作用局部性的一个重要结果是,许多物理系统,如固体以及描述基本粒子的量子场,都满足所谓的“面积定律”性质。

  为了解释这个属性的含义,假设有两个观察者爱丽丝和鲍勃,他们对整个物理系统的组成部分进行测量。爱丽丝只能测量空间中一个区域内的部分。这个区域与空间的其余部分被边界隔开;而鲍勃可以对爱丽丝区域外的部分进行测量。

  “面积定律”大致指的是爱丽丝和鲍勃测量结果相互关联的程度是由分隔爱丽丝和鲍勃区域的边界面积决定,而不是由区域的体积决定。这有点令人惊讶,因为许多其他热力学量或信息量,如能量或熵,通常是随体积而不是考虑区域的面积缩放。

  虽然面积定律通常是根据空间区域来表述的(如例子),但爱因斯坦的相对论(统一为一个时空)告诉我们,对物理的正确描述应该是根据时空中局部相互作用。这就提出了一个问题:面积定律性质是否可以推广到时空中的区域。特别地,假设现在爱丽丝被允许访问系统的一个部分,这个部分被限制在一个空间盒中,在有限的时间内她可以执行几个测量。

  这样她的所有测量都是在一个四维时空盒中执行。在爱丽丝的盒子之外,鲍勃被允许在时空中的任意一点访问系统。《量子信息》上刊登了维也纳量子光学研究所的科学家和奥地利科学院的量子信息科学家的一篇新研究论文,研究这个四维时空区域的边界能否告诉我们爱丽丝和鲍勃测量结果之间的相关性。

  在新研究,如果考虑的物理系统由局部相互作用粒子组成,则时空区域的面积定律是成立。学术研究所组长兼该研究的共同作者aslavBrukner说:这项研究提供了量子相关和时空几何之间的联系。这些见解可能会对未来统一量子力学和相对论引力理论的发展有所帮助。

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