Вчені відкрили просту формулу квантової заплутаності

Японські фізики розробили спрощені формули для вимірювання квантової заплутаності, що дозволило виявити несподівані квантові взаємодії в наноматеріалах. Їхнє дослідження відкриває нові перспективи у вивченні сильно корельованих електронних систем і можливих застосувань у квантових технологіях.

Переосмислення «моторошної дії на відстані» Ейнштейна

Ейнштейн називав квантову заплутаність «моторошною дією на відстані», але нові дослідження допомагають краще зрозуміти цей загадковий феномен.

Фізики з Осакського міського університету розробили спрощені формули для вимірювання квантової заплутаності в сильно корельованих електронних системах. Вони протестували ці формули на різних наноматеріалах, що дозволило виявити нові особливості поведінки квантової заплутаності в різних фізичних умовах. Отримані результати можуть сприяти розвитку квантових технологій.

Що таке квантова заплутаність?

Квантова заплутаність виникає, коли дві частинки стають пов’язаними так, що залишаються взаємопов’язаними незалежно від відстані між ними. Це явище є основою для новітніх технологій, таких як квантові комп’ютери та квантова криптографія. Попри значний прогрес у вивченні заплутаності, багато її аспектів залишаються складними та важкими для аналізу.

Зміщення фокуса на локальні квантові взаємодії

«Попередні дослідження здебільшого зосереджувалися на універсальних властивостях квантової заплутаності в матеріалах із магнетизмом або надпровідністю», – зазначає Юнорі Нішікава, викладач Вищої школи науки Осакського міського університету та провідний автор дослідження.

Натомість команда вирішила дослідити локальну квантову заплутаність між одним або двома випадково вибраними атомами в сильно корельованій електронній системі та їхнім оточенням.

Сильно корельовані електронні системи та їхня складність

У сильно корельованих електронних системах взаємодії між електронами домінують над іншими ефектами, створюючи складні й високо заплутані квантові стани. Такі системи є чудовою платформою для дослідження квантової заплутаності. Дослідники вивели формули для розрахунку ключових квантово-інформаційних величин, зокрема:

• Ентропія заплутаності (визначає рівень заплутаності системи),
• Взаємна інформація (вимірює обсяг спільної інформації між двома частинами системи),
• Відносна ентропія (оцінює відмінності між квантовими станами).

Ці величини є критично важливими для розуміння взаємодій у квантових системах.

Неочікуване відкриття у спрощених рівняннях

«Ми були приємно здивовані, коли виявили, що формула для ентропії заплутаності може бути записана у надзвичайно простому вигляді», – зазначає Нішікава.

Щоб перевірити свою методику, команда застосувала формули до різних матеріалів, зокрема:

• Нанорозмірних штучних магнітних матеріалів, розташованих у ланцюг,
• Розбавлених магнітних сплавів.

Аналіз показав неочікувані закономірності квантової заплутаності в наномагнітних системах. У розбавлених магнітних сплавах дослідники змогли ідентифікувати квантову відносну ентропію як ключову величину для опису ефекту Кондо—явища, при якому магнітна домішка екранується провідними електронами.

Відкриття несподіваних квантових ефектів

«Поводження квантової заплутаності в штучних магнітних матеріалах здивувало нас, відкривши нові можливості для розуміння квантових взаємодій», – додає Нішікава.

Це дослідження прокладає шлях до глибшого вивчення квантової заплутаності, що може сприяти розвитку квантових технологій.

«Наші формули можна застосовувати до матеріалів із різними фізичними властивостями», – підсумовує Нішікава. «Сподіваємося, що вони надихнуть подальші дослідження й допоможуть розкрити нові аспекти квантової поведінки у різних середовищах».

Примітка

Формула для обчислення ентропії заплутаності має вигляд:

S = — n↑n↓ log(n↑n↓) — h↑h↓ log(h↑h↓) — n↑h↑ log(n↑h↑) — n↓h↓ log(n↓h↓)

де n↑, n↓ – кількість електронів зі спіном вгору і вниз, а h↑, h↓ – кількість дірок (операторів) зі спіном вгору і вниз у досліджуваному атомі.