Физики научились измерять квантовую запутанность в твердом теле
Исследователи научились измерять квантовую запутанность в твердых телах — это обещает прорывы как в квантовых технологиях, так и в фундаментальной физике.
Когда речь заходит о квантовой запутанности — неразрывной связи между частицами, сохраняющейся на любых расстояниях, — арсенал экспериментаторов довольно ограничен. Они могут, например, определить, запутаны ли две частицы, с помощью процедуры, известной как тест Белла, или намеренно создать запутанность между несколькими объектами внутри квантовых компьютеров.
Но выяснить, пронизан ли кусок какого-либо материала запутанными частицами, гораздо сложнее. А это важно для разработки новых и более совершенных устройств для квантовых вычислений и квантовой связи, ведь именно запутанность — их основа.
Более пяти лет команда физиков потратила на разработку метода, который позволяет это сделать, — и теперь он работает. Результаты титанического труда представил на Глобальном саммите по физике Американского физического общества в Денвере Аллен Шай из Лос-Аламосской национальной лаборатории, руководивший исследованием.
«Мы доказали, что метод работает на 100%, и сейчас отрабатываем процедуры, необходимые для его применения к разным материалам», — говорит ученый.
Идея состоит в том, чтобы обстреливать образец нейтронами и регистрировать их детектором. Еще с 1950-х известно: измерение свойств этих нейтронов позволяет определить, как устроены и как ведут себя квантовые частицы внутри материала. Шай и его команда использовали нейтроны, чтобы рассчитать так называемую квантовую информацию Фишера (QFI) — число, которое указывает, какое минимальное количество частиц внутри материала должно быть запутано, чтобы нейтроны рассеялись именно так, как было зафиксировано.
Метод проверили на нескольких магнитных материалах, в том числе на хорошо изученном кристалле фторида калия-меди(II) KCuF₃. В этом случае результаты опытов можно напрямую сравнить с компьютерным моделированием внутреннего квантового устройства кристалла, объясняет отвечавший за экспериментальную часть Понтус Лорелл из Миссурийского университета.
«Экспериментальные и теоретические кривые совпали очень точно», — подчеркивает он.
По словам Лорелла, исследователи и раньше рассматривали QFI и подобные величины в качестве возможных «свидетелей запутанности», но его команда — первая, кто предложил четкий, надежный и применимый к разным системам способ измерения. Основная трудность заключалась в том, чтобы точно настроить детали, и теперь это открыло дорогу для изучения самых разных материалов, включая те, из которых в дальнейшем можно будет создавать новые устройства.
Метод работает независимо от того, существует ли для данного материала хорошая математическая модель, и эффективен даже на несовершенных образцах. «В этом его прелесть. QFI можно измерить всегда и для чего угодно», — доволен Шай.
В ближайшем будущем разработчики намерены вывести свой метод на новый уровень: измерить QFI материала вблизи фазового перехода — квантового аналога точки, в которой вода превращается в лед. Теоретические модели в этой точке часто перестают работать или предсказывают, что запутанность взлетает до небес, — а значит, есть шанс на реальное квантовое открытие, заключает физик.
