Квантовый симулятор визуализирует крупномасштабную запутанность материалов

Физики из Австрии нашли быстрый и эффективный способ получения информации о крупномасштабной структуре запутанности квантового материала благодаря теореме 50-летней давности из квантовой теории поля. Новый метод может открыть двери в таких областях, как квантовая информация, квантовая химия или даже физика высоких энергий.

Квантовая запутанность — это явление, при котором информация, содержащаяся в ансамбле частиц, кодируется в корреляциях между ними. К этой информации невозможно получить доступ, исследуя частицы по отдельности, и это важная особенность квантовой механики, которая четко отличает квант от классического мира. Помимо того, что запутанность имеет решающее значение для квантовых вычислений и квантовой коммуникации, она сильно влияет на свойства нового класса экзотических материалов. Таким образом, более глубокое понимание этого может помочь ученым понять и решить проблемы в материаловедении, физике конденсированного состояния и за их пределами.

Проблема в том, что узнать о внутренней запутанности большого количества запутанных частиц чрезвычайно сложно, поскольку сложность корреляций возрастает экспоненциально с увеличением числа частиц. Эта сложность делает невозможным моделирование материалов, состоящих из таких частиц, с помощью классического компьютера. Квантовые симуляторы лучше подходят для этой задачи, поскольку они могут представлять ту же экспоненциальную сложность, что и целевой материал, который они моделируют. Однако для определения свойств перепутывания материала с помощью стандартных методов по-прежнему требуется невероятно большое количество измерений.

Квантовый симулятор

В своем новом, более эффективном методе оценки силы запутанности системы исследователи из Университета Инсбрука и близлежащего Института квантовой оптики и квантовой информации (IQOQI) интерпретировали силу запутанности с точки зрения локальной температуры. В то время как сильно запутанные области квантового материала в этом методе кажутся «горячими», слабо запутанные области кажутся «холодными». Важно отметить, что точная форма этого локально изменяющегося температурного поля предсказывается квантовой теорией поля, что позволяет команде измерять температурные профили более эффективно, чем это было возможно с помощью предыдущих методов.

Для моделирования запутанного квантового материала команда Инсбрука-IQOQI использовала систему из 51 ⁴⁰Ca⁺ ионы удерживаются внутри вакуумной камеры с помощью колеблющегося электрического поля устройства, называемого линейной ловушкой Пауля. Эта установка позволяет индивидуально контролировать каждый ион и считывать его квантовое состояние с высокой точностью. Исследователи могли быстро определить правильные температурные профили, установив петлю обратной связи между системой и (классическим) компьютером, который постоянно генерирует новые профили и сравнивает их с фактическими измерениями в эксперименте. Затем они провели измерения, чтобы извлечь такие свойства, как энергия системы. Наконец, они исследовали внутреннюю структуру состояний системы, изучая «температурные» профили, что позволило им определить запутанность.

Горячие и холодные регионы

Профили температуры, полученные командой, показывают, что области, которые сильно коррелируют с окружающими частицами, можно считать «горячими» (то есть сильно запутанными), а те, которые взаимодействуют очень мало, можно считать «холодными» (слабо запутанными). Исследователи также впервые подтвердили предсказания квантовой теории поля как адаптированной к основным состояниям (или низкотемпературным состояниям) материалов с помощью теоремы Бизоньяно-Вихмана, которая была впервые выдвинута в 1975 году как способ связи определенных преобразований Лоренца. в пространстве-времени к преобразованиям по заряду, четности и времени. Кроме того, метод позволил им визуализировать переход от слабо запутанных основных состояний к сильно запутанным возбужденным состояниям квантового материала.

Лидер группы Питер Золлер, занимающий должности как в Инсбруке, так и в IQOQI, говорит, что результаты и методы — квантовые протоколы, работающие на квантовом симуляторе — используемые для их получения, в целом применимы к моделированию квантовых материалов. По этой причине он считает, что они имеют большое значение для квантовой информатики и технологий, а также для квантового моделирования. «Для будущих экспериментов мы хотели бы провести это с другими платформами и более сложными/интересными модельными системами», — говорит он. Мир физики. «Наши инструменты и методы очень общие».

Запутывание становится горячим и грязным

Марчелло Дальмонте, физик из Международного центра теоретической физики имени Абдуса Салама в Италии, не принимавший участия в исследовании, называет полученные результаты «настоящим новаторством». По его мнению, этот метод выводит наше экспериментально проверяемое понимание запутанности на новый уровень, раскрывая ее полную сложность. Он также считает, что этот метод улучшит наше понимание взаимосвязи между запутанностью и физическими явлениями, и воодушевлен возможностью использовать его для решения ключевых вопросов теоретической физики, таких как достижение лучшего понимания структуры операторной запутанности для смешанных состояний. Другой возможной областью для исследования может стать взаимное переплетение между частями материи, хотя Далмонте добавляет, что это потребует дальнейших улучшений протокола, включая повышение его масштабируемости.

Исследование описано в природа.

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• PlatoData.Network Вертикальный генеративный ИИ. Расширьте возможности себя. Доступ здесь.
• ПлатонАйСтрим. Интеллект Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• ПлатонЭСГ. Углерод, чистые технологии, Энергия, Окружающая среда, Солнечная, Управление отходами. Доступ здесь.
• ПлатонЗдоровье. Биотехнологии и клинические исследования. Доступ здесь.
• Источник: https://physicsworld.com/a/quantum-simulator-visualizes-large-scale-entanglement-in-materials/