Впервые можно измерить квантовую запутанность в твердых телах

Фото из открытых источников

Наконец-то появился способ измерить квантовую запутанность в твердых телах, что может привести к прогрессу как в квантовых технологиях, так и в фундаментальной физике.

Что касается квантовой запутанности — неразрывной связи между квантовыми частицами, которая поддерживает корреляцию их поведения, даже когда они находятся на очень большом расстоянии друг от друга, — у исследователей ограниченный набор экспериментальных инструментов. Например, они могут определить, запутаны ли две частицы, используя процедуру, называемую тестом Белла, и целенаправленно создавать запутанность между несколькими объектами в квантовых компьютерах.

Но выяснить, содержит ли кусок какого-либо материала запутанные частицы, гораздо сложнее. Это особенно важно для разработки новых и более совершенных устройств для квантовых вычислений и квантовой связи, которые требуют запутанности.

Аллен Шейе из Национальной лаборатории Лос-Аламоса в Нью-Мексико и его коллеги потратили более пяти лет на разработку метода, позволяющего сделать именно это — и теперь он работает.

«Мы установили, что это работает на 100 процентов, и теперь разрабатываем процедуры, необходимые для проведения этого эксперимента на различных материалах», — говорит Шейе.

Метод команды включает в себя облучение образца материала нейтронами, которые затем собираются детектором. С 1950-х годов исследователям известно, что анализ свойств этих нейтронов может выявить расположение и поведение квантовых частиц внутри материала. Шейе и его коллеги использовали их для расчета квантовой информации Фишера (QFI) — числа, указывающего минимальное количество квантовых частиц внутри материала, которые должны быть запутаны, чтобы повлиять на нейтроны обнаруженным образом.

Исследователи протестировали свой метод на нескольких магнитных материалах, включая хорошо изученный кристалл, изготовленный из калия, меди и фтора. Член команды Понтус Лорелл из Университета Миссури говорит, что в этом случае результаты можно было напрямую сравнить с компьютерным моделированием квантовой структуры кристалла, чтобы проверить новый метод. «Между экспериментальными и теоретическими кривыми наблюдалось поразительно близкое совпадение».

Лорел говорит, что другие исследователи ранее изучали квантовую информацию Фишера (QFI) и подобные ей значения как возможные экспериментальные «свидетели запутанности», но его команда первой разработала четкий, надежный и общеприменимый способ ее измерения. Большая часть работы была посвящена уточнению деталей, что теперь открыло исследователям возможность экспериментировать со всевозможными материалами, включая те, которые в конечном итоге могут быть использованы для создания новых устройств.

Примечательно, что метод команды работает независимо от того, существует ли уже хорошая математическая модель для материала, и он эффективен даже при несовершенстве образцов. «В этом и заключается вся прелесть. Вы можете измерить квантовую информацию Фишера в любом случае», — говорит Шейе. Он представил свою работу на недавнем  Глобальном физическом саммите Американского физического общества в Денвере, штат Колорадо.

Через месяц исследователи выведут свой метод на новый уровень, измерив квантовую информацию Фишера материала при приближении к фазовому переходу — квантовому эквиваленту точки, где вода превращается в лед. Теоретические модели часто дают сбой на этом этапе или предсказывают резкое увеличение запутанности, поэтому есть шанс на реальное квантовое открытие, говорит Шейе.