Исследовательская группа с физического факультета Гонконгского университета (HKU) и их коллеги недавно разработали новый алгоритм в квантовой физике, известный как «микроскопия запутанности», который позволяет визуализировать и отображать это необычное явление в микроскопическом масштабе. Увеличивая масштаб сложных взаимодействий запутанных частиц, можно раскрыть скрытые структуры квантовой материи, что может изменить технологии и углубить понимание Вселенной.

Это исследование, проведенное под руководством профессора Цзы Яна Мэнга и в соавторстве с его аспирантами Тинг-Тунгом Вангом и Менганом Сонгом с физического факультета HKU в сотрудничестве с профессором Уильямом Витчаком-Кремпой и аспиранткой Люке Лю из Монреальского университета, раскрывает скрытые структуры квантовой запутанности в системах многих тел, предлагая новый взгляд на поведение квантовой материи.

Результаты исследования опубликованы в престижном журнале Nature Communications.

Прорыв в картировании квантовой запутанности

Квантовая запутанность описывает глубокую связь между частицами, когда состояние одной частицы мгновенно связывается с другой, даже на огромных расстояниях. Представьте себе, что вы бросаете две игральные кости в разных местах. Квантовая запутанность — это то, что результат броска одной кости всегда определяет результат броска другой, независимо от того, как далеко они находятся друг от друга. Это явление, которое Альберт Эйнштейн назвал «жутким действием на расстоянии», является не просто теоретической диковинкой, а лежит в основе таких технологий, как квантовые вычисления, криптография, изучение экзотических материалов и черных дыр. Однако получить информацию о запутанности в квантовых системах многих тел как аналитически, так и численно довольно сложно из-за экспоненциально большой степени свободы.

Исследователи решили эту проблему, разработав «микроскопию запутанности» — инновационный протокол, основанный на крупномасштабном квантовом моделировании Монте-Карло, который может успешно извлекать информацию о запутанности в небольших областях квантовых систем. Фокусируясь на этих микроскопических областях, метод позволяет выявить, как частицы взаимодействуют и организуются сложным образом, особенно вблизи критических точек квантовых фазовых переходов — особых состояний, в которых квантовые системы претерпевают глубокие изменения в поведении.

Их исследование было сосредоточено на двух выдающихся моделях в двумерном пространстве: модели Изинга с поперечным полем и фермионной модели t-V, реализующей переход Гросса-Неву-Юкавы для фермионов Дирака, каждая из которых раскрывает захватывающие идеи о природе квантовой запутанности. Они обнаружили, что в критической точке квантовой модели Изинга запутанность является короткодействующей, то есть частицы связаны только на небольших расстояниях. Эта связь может внезапно исчезнуть из-за изменения расстояния или температуры — явление, известное как «внезапная смерть». В отличие от этого, исследование фермионного перехода показало более постепенное уменьшение запутанности даже при больших расстояниях, что говорит о том, что частицы могут сохранять связь, несмотря на большое расстояние друг от друга.

Интригующе, но команда обнаружила, что в двумерных переходах Изинга трехчастичная запутанность отсутствует, в то время как в одномерных системах она присутствует. Это означает, что размерность системы существенно влияет на поведение запутанности. Если говорить упрощенно, то низкоразмерные системы напоминают небольшую компанию друзей, где более вероятны глубокие связи (сложное многочастичное запутывание). И наоборот, высокоразмерные системы, сравнимые с большими, более сложными социальными сетями, часто подавляют такие связи. Эти результаты позволяют понять, как изменяется структура запутанности с ростом сложности системы.

Применение и влияние

Это открытие имеет значительные последствия для развития квантовых технологий. Более четкое понимание запутанности может помочь оптимизировать аппаратное обеспечение и алгоритмы квантовых вычислений, что позволит быстрее решать проблемы в таких областях, как криптография и искусственный интеллект. Он также открывает путь к созданию квантовых материалов нового поколения, которые найдут применение в энергетике, электронике и сверхпроводимости. Кроме того, этот инструмент может углубить наше понимание фундаментальной физики и улучшить квантовое моделирование в химии и биологии.

Ранее ученые нашли зависимость квантовой запутанности от площади.