Неделимость совокупности. Взгляд за пределы физики.

Силы взаимодействий «горячих» (красные) и «холодных» (синие) запутанных частиц соответствуют их температурным профилям и показывают, что запутанность тем больше, чем сильнее взаимодействие между частицами. Источник.

Исследователи под руководством Питера Золлера из Инсбрукского университета и Института квантовой оптики и квантовой информации (IQOQI) Австрийской академии наук (ÖAW) предложили новый подход к изучению запутанности в квантовых материалах, который может значительно улучшить понимание возникновения этого явления и его законов. Однако, говоря о результатах работы учёных, более глубокое понимание квантовых материалов ‒ далеко не общие слова. Дело в том, что их метод ‒ и это, наверное, самое любопытное из его возможностей ‒ позволяет исследовать ранее недоступные физические явления. То есть фактически они создали новый инструмент для определения и изучения запутанности в системах из многих тел, действенность которого подтвердили экспериментально.

В условиях квантовой запутанности свойства нескольких частиц оказываются настолько сильно взаимосвязанными, что уже невозможно определить состояние каждой отдельной, и приходится рассматривать их совокупность как одно целое. В итоге свойства материала определяются именно этим целым, а не каждой отдельно взятой частицей из находящихся в этом определённом состоянии.

«Запутывание многих частиц ‒ это особенность, которая вносит разницу, ‒ говорит Кристиан Кокайл, один из первых авторов статьи, опубликованной в журнале Nature. ‒ В то же время, однако, это очень трудно определить».

Чтобы сделать это, нужно описать большие квантовые системы, для чего сегодня требуется просто невообразимое количество измерений. Только после этого можно будет провести анализ данных и почерпнуть из них сведения о существующей запутанности. Однако команда решила попробовать срезать этот путь.  

«Мы разработали более эффективное описание, которое позволяет нам извлекать информацию о запутанности из системы с помощью значительно меньшего количества измерений», ‒ объясняет физик-теоретик Рик ван Бийнен.

Для этого инсбрукские физики-экспериментаторы во главе с Кристианом Роосом и Райнером Блаттом использовали квантовый симулятор ионной ловушки с 51 частицей. Немногие исследовательские группы в мире обладают необходимым контролем над таким количеством частиц. Так, в контролируемой лабораторной среде, частица за частицей, был сымитирован и изучен со всех сторон реальный материал.

«Основная техническая проблема, с которой мы здесь сталкиваемся, заключается в том, как поддерживать низкий уровень ошибок, одновременно контролируя 51 ион, попавший в нашу ловушку, и обеспечивая возможность контроля и считывания отдельных кубитов», ‒ делится экспериментатор Манодж Джоши.

В этой работе объединились знания и методы, которые кропотливо разрабатывались командой на протяжении последних лет. И вот наконец-то показались первые плоды: в ходе эксперимента учёные впервые воочию наблюдали эффекты, которые ранее описывались только теоретически. 

«Впечатляет то, что вы можете делать эти вещи, используя доступные сегодня ресурсы», ‒ делится радостью Кристиан Кокайл, который недавно начал проводить исследования в Институте теоретической атомной, молекулярной и оптической физики в Гарварде.

Главная особенность запутанности частиц в кантовых материалах заключается в том, что она, сама эта запутанность, может быть разной интенсивности. То есть частицы могут быть более или менее сильно связаны. 

Обнаружено, что измерения сильно запутанной частицы дают случайные результаты. Таким образом, если результаты измерений сильно колеблются при одних и тех же условиях, они считаются чисто случайными и свидетельствуют о сильном явлении. Такую запутанность учёные называют «горячей». Если же вероятность определённого результата возрастает, то это «холодный» квантовый объект. 

Но! Измерение только всех запутанных объектов выявляет точное состояние системы. Поэтому в системах из очень многих частиц усилия по измерению чрезвычайно возрастают. Однако команда решила воспользоваться предсказанием квантовой теории поля о том, что субобластям системы многих запутанных частиц можно задать температурный профиль. Было решено протестировать эти профили на предмет зависимости от степени перепутывания частиц.

В квантовом симуляторе Инсбрука эти профили температуры определяются через петлю обратной связи между компьютером и квантовой системой. При этом компьютер постоянно генерирует новые профили и сравнивает их с фактическими измерениями в эксперименте. Оказалось, что полученные температурные профили весьма неплохо коррелируют с состоянием запутанности частицы: сильное взаимодействие с окружающей квантовой средой является «горячим», а слабое, соответственно, ‒ «холодным».

«Это точно соответствует ожиданиям, что запутанность особенно велика там, где взаимодействие между частицами сильное», ‒ говорит Кокаил.

Будучи отличительной особенностью квантовых систем из многих тел, запутанность является краеугольным камнем микромира и изучающей его физики. В этом смысле вклад сегодняшнего исследования трудно переоценить. Но вот раскрытие структуры запутанности большого числа частиц в экспериментах по квантовому моделированию ‒ фундаментальная задача уже для квантовой информатики. И тут, видимо, горизонты ИТ-исследований также значительно расширились.

«Разработанные нами методы представляют собой мощный инструмент для изучения крупномасштабной запутанности в коррелированной квантовой материи. Это открывает двери для изучения нового класса физических явлений с помощью квантовых симуляторов, которые уже доступны сегодня, ‒ резюмирует квантовый теоретик Питер Золлер.

«С помощью классических компьютеров такие симуляции больше не могут быть рассчитаны с разумными усилиями», ‒ продолжает он и добавляет, что новый метод можно использовать для проверки новой теории даже на этих стремительно устаревающих платформах.

АРМК, по материалам Университетом Инсбрука.