Квантовий симулятор візуалізує масштабну заплутаність у матеріалах – Physics World

Фізики з Австрії знайшли швидкий і ефективний спосіб витягти інформацію про великомасштабну структуру заплутаності квантового матеріалу завдяки теоремі 50-річної давності з квантової теорії поля. Новий метод може відкрити двері в таких галузях, як квантова інформація, квантова хімія або навіть фізика високих енергій.

Квантова заплутаність — це явище, за допомогою якого інформація, що міститься в ансамблі частинок, кодується в кореляції між ними. До цієї інформації неможливо отримати доступ, досліджуючи частинки окремо, і це важлива особливість квантової механіки, яка чітко відрізняє квантовий світ від класичного. Крім того, що заплутаність має ключове значення для квантових обчислень і квантової комунікації, вона сильно впливає на властивості нового класу екзотичних матеріалів. Таким чином, глибше розуміння цього може допомогти вченим зрозуміти та вирішити проблеми в матеріалознавстві, фізиці конденсованих середовищ тощо.

Проблема полягає в тому, що дізнатися про внутрішню заплутаність великої кількості заплутаних частинок, як відомо, важко, оскільки складність кореляцій експоненціально зростає зі збільшенням кількості частинок. Ця складність робить неможливим класичний комп’ютер для моделювання матеріалів, виготовлених із таких частинок. Квантові симулятори краще обладнані для цього завдання, оскільки вони можуть представляти таку саму експоненціальну складність, як цільовий матеріал, який вони моделюють. Однак визначення властивостей заплутування матеріалу за допомогою стандартних методів все ще вимагає великої кількості вимірювань.

Квантовий симулятор

У своєму новому, більш ефективному методі для оцінки сили заплутаності системи дослідники з Університету Інсбрука та сусіднього Інституту квантової оптики та квантової інформації (IQOQI) інтерпретували силу заплутаності в термінах місцевої температури. У той час як сильно заплутані області квантового матеріалу здаються «гарячими» в цьому методі, слабко заплутані області здаються «холодними». Важливо те, що точна форма цього локально змінюваного температурного поля передбачена квантовою теорією поля, що дозволяє команді вимірювати температурні профілі більш ефективно, ніж це було можливо за допомогою попередніх методів.

Щоб змоделювати заплутаний квантовий матеріал, команда Innsbruck-IQOQI використала систему 51 ⁴⁰Ca⁺ іони утримуються у вакуумній камері коливальним електричним полем пристрою, що називається лінійною пасткою Поля. Ця установка дозволяє індивідуально контролювати кожен іон і зчитувати його квантовий стан з високою точністю. Дослідники могли швидко визначити правильні температурні профілі, встановивши петлю зворотного зв’язку між системою та (класичним) комп’ютером, який постійно генерує нові профілі та порівнює їх із фактичними вимірюваннями в експерименті. Потім вони виміряли такі властивості, як енергія системи. Нарешті, вони досліджували внутрішню структуру станів системи, вивчаючи «температурні» профілі, що дозволило їм визначити заплутаність.

Гарячі та холодні регіони

Температурні профілі, отримані командою, показують, що області, які сильно корельовані з оточуючими частинками, можна вважати «гарячими» (тобто сильно заплутаними), а ті, які дуже мало взаємодіють, можна вважати «холодними» (слабко заплутаними). Дослідники також вперше підтвердили прогнози квантової теорії поля, адаптовані до основних станів (або низькотемпературних станів) матеріалів за допомогою теореми Бізоньяно-Віхмана, яка вперше була висунута в 1975 році як спосіб зв’язку певних перетворень Лоренца у просторі-часі до перетворень у заряді, парності та часі. Крім того, метод дозволив їм візуалізувати перехід від слабко заплутаних основних станів до сильно заплутаних збуджених станів квантового матеріалу.

Керівник команди Пітер золлер, який обіймає посади як в Інсбруку, так і в IQOQI, каже, що результати та методи – квантові протоколи, що працюють на квантовому симуляторі – використовуються для їх отримання, як правило, застосовні до моделювання квантових матеріалів. З цієї причини він вважає, що вони мають широке значення для квантової інформаційної науки та технологій, а також для квантового моделювання. «Для майбутніх експериментів ми [хотіли б] зробити це з іншими платформами та більш складними/цікавими модельними системами», — каже він Світ фізики. «Наші інструменти та методи дуже загальні».

Заплутаність стає гарячою та брудною

Марчелло Дальмонте, фізик з Міжнародного центру теоретичної фізики імені Абдуса Салама в Італії, який не брав участі в дослідженні, називає результати «справжнім новаторським». На його думку, метод виводить наше експериментально перевірене розуміння заплутаності на новий рівень, розкриваючи всю його складність. Він також вважає, що ця методика покращить наше розуміння зв’язку між заплутаністю та фізичними явищами, і в захваті від можливості її використання для вирішення ключових питань у теоретичній фізиці, таких як досягнення кращого розуміння структури оператора заплутаності для змішаних станів. Іншою можливою сферою для дослідження може бути взаємне заплутування між шматками матерії, хоча Далмонте додає, що для цього знадобляться подальші вдосконалення протоколу, включаючи підвищення його масштабованості.

Дослідження описано в природа.

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Додайте собі сили. Доступ тут.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Розширення знань. Доступ тут.
• ПлатонЕСГ. вуглець, CleanTech, Енергія, Навколишнє середовище, Сонячна, Поводження з відходами. Доступ тут.
• PlatoHealth. Розвідка про біотехнології та клінічні випробування. Доступ тут.
• джерело: https://physicsworld.com/a/quantum-simulator-visualizes-large-scale-entanglement-in-materials/