양자 시뮬레이터는 재료의 대규모 얽힘을 시각화합니다 – Physics World

오스트리아의 물리학자들은 양자장 이론의 50년 된 정리 덕분에 양자 물질의 대규모 얽힘 구조에 대한 정보를 추출하는 빠르고 효율적인 방법을 발견했습니다. 새로운 방법은 양자 정보, 양자 화학, 심지어 고에너지 물리학과 같은 분야에 문을 열 수 있습니다.

양자 얽힘은 입자의 집합체에 포함된 정보가 입자 간의 상관 관계로 인코딩되는 현상입니다. 이 정보는 입자를 개별적으로 조사하여 접근할 수 없으며, 이는 양자 역학의 필수적인 특징으로, 양자를 고전 세계와 명확하게 구별합니다. 얽힘은 양자 컴퓨팅 및 양자 통신의 중추적인 역할을 할 뿐만 아니라 새로운 종류의 이국적인 물질의 특성에 큰 영향을 미칩니다. 따라서 이에 대한 더 깊은 이해는 과학자들이 재료 과학, 응집 물질 물리학 및 그 이상 분야의 문제를 이해하고 해결하는 데 도움이 될 수 있습니다.

문제는 상관 관계의 복잡성이 입자 수에 따라 기하급수적으로 증가하기 때문에 수많은 얽힌 입자의 내부 얽힘에 대해 학습하는 것이 매우 어렵다는 것입니다. 이러한 복잡성으로 인해 기존 컴퓨터에서는 이러한 입자로 만들어진 물질을 시뮬레이션하는 것이 불가능합니다. 양자 시뮬레이터는 시뮬레이션하는 대상 물질과 동일한 기하급수적 복잡성을 나타낼 수 있으므로 이 작업에 더 적합합니다. 그러나 표준 기술을 사용하여 재료의 얽힘 특성을 추출하려면 여전히 다루기 어려울 만큼 많은 측정이 필요합니다.

양자 시뮬레이터

인스부르크 대학과 인근 양자 광학 및 양자 정보 연구소(IQOQI)의 연구원들은 시스템의 얽힘 강도를 평가하기 위한 새롭고 보다 효율적인 방법으로 얽힘 강도를 국지적 온도로 해석했습니다. 이 방법에서는 양자 물질의 고도로 얽힌 영역이 "뜨거운" 것처럼 보이지만 약하게 얽힌 영역은 "차가운" 것처럼 보입니다. 결정적으로, 국부적으로 변하는 온도장의 정확한 형태는 양자장 이론에 의해 예측되어 팀이 이전 방법으로 가능했던 것보다 더 효율적으로 온도 프로파일을 측정할 수 있게 되었습니다.

얽힌 양자 물질을 시뮬레이션하기 위해 Innsbruck-IQOQI 팀은 51 시스템을 사용했습니다. ⁴⁰Ca⁺ 선형 폴 트랩이라는 장치의 진동 전기장에 의해 진공 챔버 내부에 이온이 고정됩니다. 이 설정을 통해 각 이온을 개별적으로 제어하고 양자 상태를 높은 정확도로 읽을 수 있습니다. 연구원들은 시스템과 지속적으로 새로운 프로파일을 생성하고 이를 실험의 실제 측정값과 비교하는 (고전적인) 컴퓨터 사이에 피드백 루프를 배치함으로써 올바른 온도 프로파일을 신속하게 결정할 수 있었습니다. 그런 다음 시스템 에너지와 같은 속성을 추출하기 위해 측정을 수행했습니다. 마지막으로 그들은 얽힘을 결정할 수 있는 "온도" 프로파일을 연구하여 시스템 상태의 내부 구조를 조사했습니다.

더운 지역과 추운 지역

팀이 얻은 온도 프로파일은 주변 입자와 강한 상관관계가 있는 영역이 "뜨거운"(즉, 고도로 얽힌) 영역으로 간주될 수 있고 거의 상호 작용하지 않는 영역은 "차가운"(약하게 얽힌) 영역으로 간주될 수 있음을 보여줍니다. 연구자들은 또한 특정 로렌츠 변환과 관련하여 1975년에 처음 제시된 Bisognano-Wichmann 정리를 통해 물질의 바닥 상태(또는 저온 상태)에 적용되는 양자장 이론의 예측을 처음으로 확인했습니다. 시공간에서 담당, 패리티 및 시간의 변형으로. 또한, 이 방법을 통해 양자 물질의 약하게 얽힌 바닥 상태에서 강하게 얽힌 여기 상태로의 교차를 시각화할 수 있었습니다.

팀 리더 피터 졸러인스브루크와 IQOQI에서 직책을 맡고 있는 는 이를 얻기 위해 사용된 결과와 기술(양자 시뮬레이터에서 실행되는 양자 프로토콜)이 일반적으로 양자 재료 시뮬레이션에 적용 가능하다고 말합니다. 이러한 이유로 그는 양자 정보 과학 및 기술은 물론 양자 시뮬레이션에 폭넓은 중요성을 갖고 있다고 믿습니다. "향후 실험을 위해 우리는 다른 플랫폼과 더 복잡하고 흥미로운 모델 시스템을 사용하여 이 작업을 수행하고 싶습니다."라고 그는 말합니다. 물리학 세계. "우리의 도구와 기술은 매우 일반적입니다."

얽힘은 뜨겁고 지저분해진다

마르첼로 달 몬테연구에 참여하지 않은 이탈리아 압두스 살람 국제 이론 물리학 센터의 물리학자인 는 이 결과를 "진정한 획기적인"이라고 부릅니다. 그의 관점에서 이 방법은 전체 복잡성을 공개함으로써 얽힘에 대한 실험적으로 테스트 가능한 이해를 새로운 수준으로 끌어올립니다. 그는 또한 이 기술이 얽힘과 물리적 현상 사이의 관계에 대한 이해를 향상시킬 것이라고 생각하고 혼합 상태에 대한 연산자 얽힘 구조에 대한 더 나은 이해에 도달하는 것과 같은 이론 물리학의 주요 질문을 해결하는 데 이 기술을 사용할 수 있는 가능성에 대해 기대하고 있습니다. 탐구할 수 있는 또 다른 가능한 영역은 물질 덩어리 간의 상호 얽힘일 수 있지만 Dalmonte는 이를 위해서는 확장성을 높이는 것을 포함하여 프로토콜에 대한 추가 개선이 필요하다고 덧붙였습니다.

연구는 다음에 설명되어 있습니다. 자연.

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• 출처: https://physicsworld.com/a/quantum-simulator-visualizes-large-scale-entanglement-in-materials/