Narzędzie kwantowe otwiera drzwi do nieznanych zjawisk

Naukowcy pod kierownictwem Petera Zollera opracowali nowe narzędzie do pomiaru splątania w wielu układach ciała i wykazali je w eksperymentach. Metoda ta pozwala na badanie niedostępnych wcześniej zjawisk fizycznych i może przyczynić się do lepszego zrozumienia materiałów kwantowych. Praca została właśnie opublikowana w czasopiśmie Nature.

Splątanie to zjawisko kwantowe, w którym właściwości dwóch lub większej liczby cząstek łączą się ze sobą w taki sposób, że nie można już przypisać określonego stanu każdej pojedynczej cząstce. Musimy raczej wziąć pod uwagę wszystkie cząstki, które uczestniczą w określonym stanie w tym samym czasie. Splątanie cząsteczek ostatecznie determinuje właściwości materii.

„Splątanie wielu cząstek to cecha, która robi różnicę” – podkreśla Christian Kocail, jeden z pierwszych autorów tego artykułu opublikowanego obecnie w Nature. „Ale jednocześnie bardzo trudno to określić”. Prowadzeni przez badaczy Piotra Zollera Na Uniwersytecie w Innsbrucku oraz w Instytucie Optyki Kwantowej i Informacji Kwantowej (IQOQI) Austriackiej Akademii Nauk (ÖAW) prezentują obecnie nowe podejście, które może znacznie usprawnić badanie i zrozumienie splątania w materiałach kwantowych. Aby opisać duże układy kwantowe i wydobyć z nich informacje o istniejącym splątaniu, trzeba by naiwnie wykonać niemożliwie dużą liczbę pomiarów. „Opracowaliśmy bardziej wydajny opis, który pozwala nam wyodrębnić informacje o splątaniu z układu przy znacznie mniejszych pomiarach” – wyjaśnia fizyk teoretyczny Rijk van Beijnen.

W kwantowej symulacji pułapki jonowej zawierającej 51 cząstek naukowcy naśladowali rzeczywistą materię, odtwarzając ją cząstka po cząstce i badając ją w kontrolowanym środowisku laboratoryjnym. Bardzo niewiele grup badawczych na świecie ma niezbędną kontrolę nad tak dużą liczbą cząstek, jak doprowadzili fizycy eksperymentalni w Innsbrucku Christiana Rossa i Rainera Platta. „Głównym wyzwaniem technicznym, przed którym stoimy, jest utrzymanie niskiego poziomu błędów przy jednoczesnej kontroli 51 jonów uwięzionych w naszej pułapce i zapewnieniu wykonalności indywidualnej kontroli i odczytu kubitu” – wyjaśnia eksperymentator Manoj Joshi. Przy okazji naukowcy po raz pierwszy zaobserwowali w eksperymencie efekty, które wcześniej opisywano jedynie teoretycznie. „Tutaj połączyliśmy wiedzę i metody, nad którymi tak ciężko pracowaliśmy przez ostatnie lata. To imponujące, że można tego dokonać przy pomocy dostępnych dzisiaj zasobów” – mówi entuzjastycznie nastawiony Christian Kocail, który niedawno dołączył do Instytutu ds. Studia Teoretyczne Fizyki Atomowej, Molekularnej i Optycznej na Uniwersytecie Harvarda.

Skrót poprzez profile temperaturowe

W materii kwantowej cząstki można splątać z większą lub mniejszą siłą. Pomiary na silnie splątanych cząstkach dają jedynie losowe wyniki. Jeśli wyniki pomiarów są bardzo zmienne – to znaczy, jeśli są czysto losowe – naukowcy nazywają to „gorącymi”. Jeśli prawdopodobieństwo określonego wyniku wzrasta, jest to „zimny” obiekt kwantowy. Dopiero pomiar wszystkich splątanych obiektów ujawnia dokładny stan. W układach składających się z bardzo dużej liczby cząsteczek wysiłek związany z pomiarem dramatycznie wzrasta. Kwantowa teoria pola przewidywała, że ​​podobszarom układu składającego się z wielu splątanych cząstek można przypisać profil temperaturowy. Cechy te można wykorzystać do wyodrębnienia stopnia splątania cząstek.

W Innsbruck Quantum Simulator te profile temperatur są określane za pomocą pętli sprzężenia zwrotnego pomiędzy komputerem a systemem kwantowym, gdzie komputer stale generuje nowe profile i porównuje je z rzeczywistymi pomiarami w eksperymencie. Uzyskane przez naukowców profile temperatur pokazują, że cząstki silnie oddziałujące z otoczeniem są „gorące”, a te, które oddziałują słabo, są „zimne”. „Jest to całkowicie zgodne z oczekiwaniami, że splątanie jest szczególnie duże, gdy interakcja między cząstkami jest silna” – mówi Christian Kocail.

Otwieranie drzwi do nowych dziedzin fizyki

„Opracowane przez nas metody stanowią potężne narzędzie do badania splątania na dużą skalę w spójnej materii kwantowej. Otwiera to drzwi do badania nowej klasy zjawisk fizycznych przy użyciu dostępnych już dziś symulatorów kwantowych” – mówi twórca kwantowych prac Peter Zoller. . „W przypadku klasycznych komputerów takich symulacji nie da się już przeprowadzić przy rozsądnym wysiłku”. Metody opracowane w Innsbrucku zostaną również wykorzystane do testowania nowej teorii na takich platformach.

Wyniki opublikowano w czasopiśmie Nature. Wsparcie finansowe badań zapewniły Austriacki Fundusz Naukowy FWF, Austriacka Agencja Promocji Badań FFG, Unia Europejska, Konfederacja Austriackiego Przemysłu Tyrolu i inne.

Publikacja: Badanie splątania na dużą skalę w symulacji kwantowej. Manoj K. Joshi*, Christian Kocael*, Rijk van Beijnen*, Florian Kranzel, Torsten V. Szaki, Rainer Platt, Christian F. Ross i Peter Zoller. Natura 2023

*Ci autorzy wnieśli równy wkład

Identyfikator cyfrowy: 10.1038/s41586-023-06768-0 [arXiv: 2306.00057]