Метод, основанный на облучении материалов нейтронами, позволяет измерить степень скрытой в них квантовой запутанности, что может открыть новые возможности в области квантовых технологий.
Поведение двух различных частиц можно связать посредством квантовой запутанности. Научная фотобиблиотека / Alamy
Наконец-то у нас появился способ измерения квантовой запутанности твердых тел, что может привести к прогрессу как в квантовых технологиях, так и в фундаментальной физике.
Когда речь заходит о квантовой запутанности — неразрывной связи между квантовыми частицами, которая поддерживает корреляцию их поведения, даже когда они находятся на очень большом расстоянии друг от друга, — у исследователей ограниченный набор экспериментальных инструментов. Например, они могут определить, запутаны ли две частицы, используя процедуру, называемую тестом Белла, и целенаправленно создавать запутанность между несколькими объектами внутри квантовых компьютеров.
Однако определить, содержит ли какой-либо материал запутанные частицы, — задача более сложная. Это особенно важно для разработки новых и более совершенных устройств для квантовых вычислений и квантовой связи, которые требуют наличия запутанности.
Аллен Шейе из Лос-Аламосской национальной лаборатории в Нью-Мексико и его коллеги более пяти лет разрабатывали методику, позволяющую это сделать, — и теперь она работает.
«Мы установили, что это работает на 100 процентов, и теперь разрабатываем процедуры, которые необходимо пройти, чтобы иметь возможность делать это с различными материалами», — говорит Шейе.
Метод, разработанный командой, заключается в том, что образец материала облучают нейтронами, которые затем собираются детектором. С 1950-х годов исследователям известно, что анализ свойств этих нейтронов может выявить расположение и поведение квантовых частиц внутри материала. Шейе и его коллеги использовали их для вычисления квантовой информации Фишера (QFI) — числа, указывающего минимальное количество квантовых частиц внутри материала, которые должны быть запутаны, чтобы повлиять на нейтроны обнаруженным образом.
Исследователи протестировали свой метод на нескольких магнитных материалах, включая хорошо изученный кристалл, состоящий из калия, меди и фтора. Член команды Понтус Лорелл из Университета Миссури говорит, что в этом случае результаты можно было напрямую сравнить с компьютерным моделированием квантовой структуры кристалла, чтобы проверить новый метод. «Между экспериментальными и теоретическими кривыми наблюдалось удивительно близкое совпадение».
Лорелл говорит, что другие исследователи ранее изучали QFI и подобные числа как возможные экспериментальные «свидетели запутанности», но его команда первой разработала четкий, надежный и общеприменимый способ его измерения. Большая часть работы была посвящена уточнению деталей, что теперь открыло исследователям возможность экспериментировать со всевозможными материалами, включая те, которые в конечном итоге могут быть использованы для создания новых устройств.
Примечательно, что метод команды работает независимо от того, существует ли уже хорошая математическая модель для материала, и он эффективен даже при несовершенстве образцов. «В этом и заключается вся прелесть. Вы можете измерить квантовую информацию Фишера в любом случае», — говорит Шейе. Он представил свою работу на Глобальном физическом саммите Американского физического общества в Денвере, штат Колорадо, 17 марта.
Через месяц исследователи выведут свой метод на новый уровень, измерив квантовую запутанность материала по мере приближения к фазовому переходу — квантовому эквиваленту точки, где вода превращается в лед. Теоретические модели часто перестают работать в этой точке или предсказывают резкое увеличение запутанности, поэтому есть шанс на реальное квантовое открытие, говорит Шейе.
Источник: www.newscientist.com
