Квантовый инструмент открывает дверь к неизвестным явлениям

Запутанность — это квантовое явление, при котором свойства двух или более частиц становятся взаимосвязанными таким образом, что каждой отдельной частице больше нельзя приписать определенное состояние. Скорее, мы должны принять во внимание все частицы, которые одновременно находятся в определенном состоянии. Запутывание молекул в конечном итоге определяет свойства материи.

«Запутывание многих частиц — это особенность, которая имеет значение», — подчеркивает Кристиан Кокейл, один из первых авторов этой статьи, опубликованной в журнале Nature. «Но в то же время это очень сложно определить». Исследователи во главе с Петером Золлером из Инсбрукского университета и Института квантовой оптики и квантовой информации (IQOQI) Австрийской академии наук (ÖAW) теперь представляют новый подход, который может значительно улучшить изучение и понимание запутанности в квантовых материалах. . Чтобы описать большие квантовые системы и извлечь из них информацию о существующей запутанности, наивно пришлось бы провести невозможно большое количество измерений. «Мы разработали более эффективное описание, которое позволяет нам извлекать информацию о запутанности из системы при гораздо меньших размерах», — объясняет физик-теоретик Райк ван Бейнен.

В квантовом моделировании ионной ловушки, содержащей 51 частицу, ученые имитировали реальную материю, воссоздавая ее частица за частицей и изучая ее в контролируемой лабораторной среде. Лишь немногие исследовательские группы во всем мире обладают необходимым контролем над таким количеством частиц, как физики-экспериментаторы в Инсбруке во главе с Кристианом Россом и Райнером Платтом. «Основная техническая проблема, с которой мы здесь сталкиваемся, заключается в том, как поддерживать низкий уровень ошибок, одновременно контролируя 51 ион, попавший в нашу ловушку, и обеспечивая возможность управления отдельными кубитами и показаниями», — объясняет экспериментатор Манодж Джоши. В ходе эксперимента ученые впервые стали свидетелями эффектов, которые ранее описывались только теоретически. «Здесь мы объединили знания и методы, над которыми кропотливо работали вместе на протяжении последних лет. Впечатляет то, что вы можете делать эти вещи с ресурсами, доступными сегодня.

Ярлык через температурные профили

В квантовой материи частицы могут быть запутаны с большей или меньшей силой. Измерения на сильно запутанных частицах дают лишь случайные результаты. Если результаты измерений сильно варьируются, то есть если они чисто случайны, ученые называют это «горячим». Если вероятность определенного результата увеличивается, то это «холодный» квантовый объект. Только измерение всех запутанных объектов покажет точное состояние. В системах, состоящих из очень большого числа молекул, усилия по измерению резко возрастают. Квантовая теория поля предсказала, что субобластям системы, состоящей из множества запутанных частиц, можно задать температурный профиль. Эти особенности можно использовать для определения степени запутанности частиц.

В квантовом симуляторе Инсбрука эти профили температуры определяются посредством обратной связи между компьютером и квантовой системой, где компьютер постоянно генерирует новые профили и сравнивает их с фактическими измерениями в эксперименте. Полученные исследователями температурные профили показывают, что частицы, которые сильно взаимодействуют с окружающей средой, являются «горячими», а те, которые мало взаимодействуют, — «холодными». «Это полностью соответствует предположению, что запутанность особенно велика, когда взаимодействие между частицами сильное», — говорит Кристиан Кокайл.

Открывая двери в новые области физики

«Разработанные нами методы представляют собой мощный инструмент для изучения крупномасштабной запутанности в когерентной квантовой материи. Это открывает двери для изучения нового класса физических явлений с использованием уже доступных сегодня квантовых симуляторов». «С помощью классических компьютеров такие симуляции больше не могут быть рассчитаны с разумными усилиями». Методы, разработанные в Инсбруке, также будут использоваться для проверки новой теории на таких платформах.