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.