Ограничения плотности информации в ограниченных твердотельных системах, вызванные квантовым шумом

Аннотация

Непрерывная миниатюризация твердотельных систем привела к тому, что электронные материалы оказались в режимах, где квантовый шум и взаимодействие с окружающей средой играют решающую роль в определении физических характеристик. В данной работе приведены результаты по разработке открытой квантовой структуры для исследования фундаментальных ограничений плотности информации в ограниченных твердотельных системах. Явно учитывая взаимодействия системы с окружающей средой на уровне гамильтониана и описывая результирующую неунитарную динамику в рамках формализма Линдблада, выведена внутренняя верхняя граница числа операционно различимых квантовых состояний. Данный анализ показывает, что масштабирование плотности информации ограничено одновременно геометрическим ограничением и потерей когерентности, вызванной шумом, что приводит к кажущемуся экспоненциальному росту только в промежуточном диапазоне размеров. По мере приближения размеров системы к наноразмеру, увеличение квантового шума приводит к переходу к субэкспоненциальному поведению, ограниченному шумом, что свидетельствует о нарушении чисто геометрических аргументов масштабирования. Результаты показывают, что наблюдаемое масштабирование возникает как следствие открытой квантовой динамики, а не технологической оптимизации. Благодаря своей общей формулировке, предложенная структура широко применима к широкому классу твердотельных систем, обеспечивая единую физическую перспективу на ограничения плотности информации, накладываемые квантовым шумом.