|
Квантовый инструмент открывает дверь к неизведанным явлениям
|
|
|
|
Запутанность — это квантовое явление, при котором свойства двух или более частиц становятся взаимосвязанными таким образом, что невозможно больше приписать определенное состояние каждой отдельной частице. Скорее, нам придется рассматривать сразу все частицы, находящиеся в определенном состоянии. Перепутывание частиц в конечном итоге определяет свойства материала. «Запутывание многих частиц — это особенность, которая имеет значение», — говорит Кристиан Кокайл, один из первых авторов статьи, опубликованной в журнале Nature. «В то же время, однако, это очень трудно определить». Исследователи под руководством Питера Золлера из Инсбрукского университета и Института квантовой оптики и квантовой информации (IQOQI) Австрийской академии наук (OAW) теперь предлагают 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 с помощью значительно меньшего количества измерений», — объясняет физик-теоретик Рик ван Бийнен.
|
|
|
|
В квантовом симуляторе ионной ловушки с 51 частицей ученые имитировали реальный материал, воссоздавая его частица за частицей и изучая его в контролируемой лабораторной среде. Лишь немногие исследовательские группы в мире обладают необходимым контролем над таким количеством частиц, как инсбрукские физики-экспериментаторы во главе с Кристианом Роосом и Райнером Блаттом. «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 контроля и считывания отдельных кубитов», — объясняет экспериментатор Манодж Джоши. В ходе эксперимента ученые впервые стали свидетелями эффектов, которые ранее описывались только теоретически. «Здесь мы объединили знания и методы, которые мы кропотливо разрабатывали вместе на протяжении последних лет. Впечатляет то, что вы можете делать эти вещи, используя доступные сегодня ресурсы», — говорит Кокаил, недавно присоединившийся к Институту теоретической атомной молекулярной и молекулярной физики. Оптическая физика в Гарварде.
|
|
|
В квантовом материале частицы могут быть более или менее сильно запутаны. Измерения на сильно запутанной частице дают лишь случайные результаты. Если результаты измерений сильно колеблются, т. е. если они чисто случайны, то ученые называют это «горячим». Если вероятность определенного результата возрастает, то это «холодный» квантовый объект. Только измерение всех запутанных объектов выявляет точное состояние. В системах, состоящих из очень многих частиц, усилия по измерению чрезвычайно возрастают. Квантовая теория поля предсказала, что субобластям системы многих запутанных частиц можно задать температурный профиль. Эти профили можно использовать для определения степени перепутывания частиц. В квантовом симуляторе Инсбрука эти профили температуры определяются через петлю обратной связи между компьютером и квантовой системой, при этом компьютер постоянно генерирует новые профили и сравнивает их с фактическими измерениями в эксперименте.
|
|
|
|
Температурные профили, полученные исследователями, показывают, что частицы, которые сильно взаимодействуют с окружающей средой, являются «горячими», а те, которые мало взаимодействуют, — «холодными». «Это точно соответствует ожиданиям, что запутанность особенно велика там, где взаимодействие между частицами сильное», — говорит Кокаил. «Разработанные нами методы представляют собой мощный инструмент для изучения крупномасштабной запутанности в коррелированной квантовой материи. Это открывает двери для изучения нового класса физических явлений с помощью квантовых симуляторов, которые уже доступны сегодня», — говорит Золлер. «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.
|
|
|
|
Источник
|
