PRB: Ученые упростили изучение квантовой запутанности

Когда-то Альберт Эйнштейн называл квантовую запутанность жутким действием на расстоянии. Сегодня это явление уже не кажется таким пугающим, особенно после новых исследований, которые проливают свет на его природу.

Ученые из Университета Осаки сделали большой шаг вперед, разработав более простые способы измерения квантовой запутанности в сложных материалах. Их работа помогает лучше понять, как ведут себя электроны в наноразмерных системах, и открывает новые возможности для развития квантовых технологий.

Исследование опубликовано в журнале Physical Review B.

Квантовая запутанность — это удивительное явление, при котором две частицы, даже находясь далеко друг от друга, остаются связанными. Если что-то происходит с одной частицей, это мгновенно влияет на другую. Это явление лежит в основе квантовых компьютеров и защищенной квантовой связи. Но, несмотря на прогресс, ученые до сих пор не до конца понимают все его тонкости.

Юнори Нишикава, преподаватель Университета Осаки и ведущий автор исследования, объясняет:

Раньше ученые изучали квантовую запутанность в материалах с магнетизмом или сверхпроводимостью. Мы пошли другим путем — сосредоточились на том, как запутанность проявляется между отдельными атомами и их окружением в сложных электронных системах.

Такие системы, где электроны сильно взаимодействуют друг с другом, — это идеальное поле для изучения квантовой запутанности. Они полны сложных и запутанных состояний, которые трудно описать простыми словами. Команда Нишикавы разработала формулы, которые помогают измерить три ключевых параметра:

1. Энтропия запутанности — показывает, насколько сильно связаны части системы.
2. Взаимная информация — измеряет, сколько информации разделяют две части системы.
3. Относительная энтропия — помогает понять, насколько одно квантовое состояние отличается от другого.

Мы были удивлены, насколько простой оказалась формула для энтропии запутанности, — говорит Нишикава.

Это открывает новые возможности для исследований.

Чтобы проверить свои формулы, ученые применили их к разным материалам, включая наноразмерные магнитные системы и сплавы с магнитными примесями. Результаты оказались неожиданными. Например, в наноразмерных магнитных материалах запутанность вела себя совсем не так, как предполагали исследователи. А в сплавах они смогли обнаружить эффект Кондо — явление, при котором магнитная примесь «прячется» за облаком электронов.

Мы не ожидали, что квантовая запутанность в наноразмерных материалах будет такой сложной и интересной, — признается Нишикава.

Это открывает новые горизонты для понимания квантовых взаимодействий.

Исследование не только углубляет наше понимание квантовой запутанности, но и может помочь в разработке новых технологий.

Наши формулы применимы к самым разным материалам, — говорит Нишикава.

Мы надеемся, что это вдохновит других ученых на новые открытия.

Формула для расчета энтропии запутанности, которую вывели ученые, выглядит так:
S = -n↑n↓ log n↑n↓ — h↑h↓ log h↑h↓ — n↑h↑ log n↑h↑ — n↓h↓ log n↓h↓
Здесь n↑ и n↓ — количество электронов с разными спинами, а h↑ и h↓ — количество «дырок» (отсутствующих электронов) с разными спинами.

Ранее ученые обнаружили запутанность между квазичастицами.

11.03.2025