圖片來源：物理評論信（2022）。DOI： 10.1103/PhysRevLett.128.170401

在研究復(fù)雜系統(tǒng)時，科學(xué)家們會識別出更小的部分，稱為子系統(tǒng)，他們可以理解。通過研究子系統(tǒng)及其之間的相關(guān)性，他們重建了對整體的理解。

這種方法已經(jīng)非常成功地用于解釋現(xiàn)象并開發(fā)基于量子力學(xué)的應(yīng)用 – 在原子尺度或更小的物質(zhì)和能量的物理學(xué)。但它在很大程度上描述了在時間是絕對的世界中運行的系統(tǒng)。

在描述考慮愛因斯坦廣義相對論的場景時，它不足，其中時間是相對的，并且與空間緊密地交織成四維時空。

現(xiàn)在，由物理學(xué)兼職助理教授亞歷山大·史密斯（Alexander Smith）和沙迪·阿里·艾哈邁德（Shadi Ali Ahmad ’22）共同撰寫的一項理論研究提出了一種以與廣義相對論兼容的方式識別子系統(tǒng)和相關(guān)性的新框架。

他們的工作可以應(yīng)用于構(gòu)建時空的量子描述，史密斯說。長期以來，理論物理學(xué)家一直在努力將量子力學(xué)和廣義相對論結(jié)合到量子引力的統(tǒng)一理論中。在過去的二十年里，試圖最終調(diào)和這些描述宇宙的根本不同的理論的努力一直在進步。

新框架于四月份發(fā)表在《物理評論快報》雜志上，建立在詹姆斯·弗蘭克家族物理學(xué)教授Lorenza Viola及其合作者以前在子系統(tǒng)方面的工作基礎(chǔ)上。

“量子力學(xué)允許與我們對世界的經(jīng)典理解不一致的相關(guān)性，”史密斯說。他說，維奧拉和她的合作者給了我們一種思考這些古怪的量子相關(guān)性的新方法。在他們的框架中，子系統(tǒng)不是將復(fù)合建筑部件粘合在一起形成一個更大的系統(tǒng)，而是根據(jù)人們可以進行的測量類型從復(fù)雜的系統(tǒng)中產(chǎn)生。

史密斯，艾哈邁德和他們的合作者應(yīng)用這個想法來建立一個識別子系統(tǒng)的框架，這與相對論是一致的，并發(fā)現(xiàn)子系統(tǒng)的概念不再是客觀的。

“我們對系統(tǒng)進行分區(qū)的方式也是相對的。這取決于誰在看它，“史密斯說。雖然他們的方法目前適用于簡單的系統(tǒng)，但作者正在努力推廣該框架。

推動對量子引力的新興理解的幾個理論概念起源于量子信息理論 – 一個相對較新的領(lǐng)域，研究如何分析和操縱量子系統(tǒng)中的信息。“量子信息科學(xué)為我們提供了思考量子力學(xué)本身的全新方式，”史密斯說。

來自黎巴嫩貝魯特、主修物理學(xué)和數(shù)學(xué)的艾哈邁德與史密斯和其他研究人員合作，利用量子信息理論研究了許多不同的理論問題。

在之前發(fā)表在《物理評論D》上的工作中，他們是第一個研究引力波（當(dāng)巨大的天文物體加速到極端水平時引起的時空漣漪）如何影響系統(tǒng)之間的糾纏的人。

另一個發(fā)表在《物理評論A》上的項目解決了如何在量子尺度上定義工作的問題 – 當(dāng)力作用在物體上時傳遞多少能量的量度 。

史密斯說，艾哈邁德是他遇到的最有動力學(xué)習(xí)，勤奮和富有成效的學(xué)生之一?！翱吹缴车显谶^去四年中發(fā)展了他在理論物理學(xué)方面的能力，這是非常有益的，”他說。

艾哈邁德獲得了2022年加扎尼加家庭科學(xué)獎，該獎項旨在表彰即將畢業(yè)的科學(xué)大四學(xué)生的科學(xué)成就。他還是物理學(xué)和天文學(xué)主席獎的獲得者。

“量子信息理論是我喜歡借用和廣泛使用的工具箱，”艾哈邁德說。他說，獲得本科研究機會和資金的承諾是吸引他來到達特茅斯的原因。艾哈邁德現(xiàn)在是達特茅斯學(xué)院的研究員，他正在結(jié)束正在進行的項目，因為他準備申請研究生課程。

以課程為跳板，他在物理和數(shù)學(xué)系尋找研究導(dǎo)師，與他們合作開展廣泛的研究課題。

“與人談?wù)摽茖W(xué)塑造了你的思維方式，”艾哈邁德說，他已經(jīng)有了三本出版物?！拔艺J為這真的能提高你的興趣。