量子模拟器可视化材料中的大规模纠缠 – 物理世界

得益于 50 年前的量子场论定理，奥地利物理学家找到了一种快速有效的方法来提取量子材料大规模纠缠结构的信息。这种新方法可以为量子信息、量子化学甚至高能物理等领域打开大门。

量子纠缠是一种现象，粒子集合中包含的信息被编码为它们之间的相关性。这些信息无法通过单独探测粒子来获取，它是量子力学的一个基本特征，它清楚地将量子与经典世界区分开来。纠缠不仅对于量子计算和量子通信至关重要，而且还严重影响新兴一类奇异材料的特性。因此，对它的更深入了解可以帮助科学家理解和解决材料科学、凝聚态物理等领域的问题。

问题在于，了解大量纠缠粒子的内部纠缠是非常困难的，因为相关性的复杂性随着粒子数量的增加而呈指数增长。这种复杂性使得经典计算机无法模拟由此类粒子制成的材料。量子模拟器更适合这项任务，因为它们可以代表与它们正在模拟的目标材料相同的指数复杂性。然而，用标准技术提取材料的缠结特性仍然需要大量的测量。

量子模拟器

因斯布鲁克大学和附近的量子光学与量子信息研究所 (IQOQI) 的研究人员在评估系统纠缠强度的新方法中更有效，用局部温度解释了纠缠强度。在这种方法中，量子材料的高度纠缠区域显得“热”，而弱纠缠区域则显得“冷”。至关重要的是，这种局部变化的温度场的确切形式是通过量子场理论预测的，使团队能够比以前的方法更有效地测量温度分布。

为了模拟纠缠量子材料，Innsbruck-IQOQI 团队使用了 51 个系统 ⁴⁰Ca⁺ 离子通过线性保罗陷阱装置的振荡电场固定在真空室内。这种设置允许单独控制每个离子，并以高精度读出其量子态。研究人员可以通过在系统和（经典）计算机之间放置一个反馈回路来快速确定正确的温度曲线，该计算机不断生成新的曲线并将其与实验中的实际测量值进行比较。然后他们进行测量以提取系统能量等特性。最后，他们通过研究“温度”分布来研究系统状态的内部结构，这使他们能够确定纠缠。

炎热和寒冷地区

研究小组获得的温度分布表明，与周围粒子强相关的区域可以被认为是“热”（即高度纠缠），而那些相互作用很少的区域可以被认为是“冷”（弱纠缠）。研究人员还通过 Bisognano-Wichmann 定理首次证实了量子场论的预测适用于材料的基态（或低温态），该定理于 1975 年首次提出，作为关联某些洛伦兹变换的一种方式时空到电荷、宇称和时间的变换。此外，该方法使他们能够可视化量子材料从弱纠缠基态到强纠缠激发态的交叉。

组长 彼得·佐勒在因斯布鲁克和 IQOQI 均任职的他表示，结果和用于获得结果的技术（在量子模拟器上运行的量子协议）通常适用于量子材料的模拟。因此，他认为它们对于量子信息科学技术以及量子模拟具有广泛的重要性。 “对于未来的实验，我们希望使用其他平台和更复杂/有趣的模型系统来做到这一点，”他告诉 物理世界。 “我们的工具和技术非常通用。”

纠缠变得又热又乱

马切洛·达蒙（Marcello Dalmonte）意大利阿卜杜勒·萨拉姆国际理论物理中心的物理学家并未参与这项研究，他称这一结果是“真正的突破性成果”。在他看来，该方法通过揭示纠缠的全部复杂性，将我们对纠缠的可实验测试的理解提升到一个新的水平。他还认为该技术将提高我们对纠缠与物理现象之间关系的理解，并为使用它来解决理论物理中的关键问题的可能性感到兴奋，例如更好地理解混合态的算子纠缠结构。另一个可能需要探索的领域可能是物质块之间的相互纠缠，尽管达尔蒙特补充说，这需要进一步改进协议，包括提高其可扩展性。

该研究描述于 自然.

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