Po mnoho let se vědci pokoušeli nahlédnout do „kvantových hlubin“ pevných objektů, aby zjistili, zda jsou jejich částice skutečně vzájemně propletené. I když můžeme manipulovat s jednotlivými částicemi v řízeném vakuu nebo kvantovém počítači, pozorování kolektivního zapletení ve fyzickém kusu hmoty zůstalo nepolapitelným cílem.
Nyní výzkumný tým vedený Allenem Scheie z Los Alamos National Laboratory vyvinul revoluční metodu pro měření tohoto jevu, která potenciálně otevírá novou kapitolu jak v základní fyzice, tak ve vývoji kvantových technologií.
Problém „viditelného“ potvrzení zapletení
Kvantové provázání je jev, při kterém jsou částice propojeny tak hluboko, že stav jedné okamžitě ovlivňuje stav druhé, bez ohledu na vzdálenost mezi nimi. Tato „strašidelná akce na dálku“ je základem pro budoucí technologie, jako jsou ultrabezpečné komunikační sítě a výkonné kvantové počítače.
Až dosud výzkumníci používali Bellovy testy k potvrzení zapletení mezi konkrétními částicemi, ale tyto metody je obtížné škálovat na celé materiály. Určit, zda pevná látka – jako krystal nebo kov – byla propletená, bylo téměř nemožné, protože složitost materiálu často zakrývá kvantová spojení.
Neutronová metoda: nový způsob, jak nahlédnout dovnitř
Průlom spočívá v použití neutronů jako „poselů“. Fyzici už od 50. let 20. století věděli, že vystřelováním neutronů na materiál a analýzou toho, jak se odrážejí nebo procházejí skrz něj, mohou získat vodítka o uspořádání částic uvnitř.
Scheie a jeho tým zdokonalili tento koncept tak, aby vypočítal kvantovou Fisherovu informaci (QFI). Proces vypadá takto:
1. Bombardování neutrony: Vzorek materiálu je bombardován neutrony.
2. Detekce: Vlastnosti vznikajících neutronů jsou zaznamenávány vysoce přesnými detektory.
3. Výpočet: Analýzou neutronových dat mohou výzkumníci vypočítat QFI, matematickou veličinu, která udává minimální počet částic v materiálu, které musí být zapleteny, aby vznikl daný konkrétní výsledek.
Osvědčená přesnost a všestrannost
Tým testoval svou techniku na různých magnetických materiálech, včetně dobře známého krystalu složeného z draslíku, mědi a fluoru. Aby byla zajištěna přesnost metody, porovnali své experimentální výsledky s počítačovými simulacemi kvantové struktury krystalu.
„Mezi experimentálními a teoretickými křivkami byla pozoruhodná shoda,“ poznamenal člen týmu Pontus Laurell z University of Missouri.
Co dělá tuto metodu skutečně revoluční, je její udržitelnost :
– Nevyžaduje model: Na rozdíl od předchozích pokusů tato technika funguje, i když vědci nemají předem dokonalý matematický model materiálu.
– Tolerance nedokonalostí: Metoda zůstává účinná, i když materiály vzorku nejsou „dokonalé“ krystaly, což je běžná realita v laboratorních podmínkách.
– Univerzální použití: Tým vytvořil spolehlivou, obecně použitelnou metodu pro měření zapletení, kterou lze použít pro širokou škálu nových materiálů.
Proč je to důležité pro budoucnost
Tento objev není jen matematickým vítězstvím, je to praktický nástroj pro další generaci technologií. Zatímco inženýři hledají lepší materiály pro stavbu kvantových procesorů a senzorů, potřebují způsob, jak otestovat, zda tyto materiály mají kvantové vlastnosti potřebné pro práci.
Nyní vědci přecházejí k ještě náročnější oblasti: měření QFI během fázových přechodů. Fázový přechod je kvantový ekvivalent přeměny vody v led. V těchto kritických bodech se teoretické modely často hroutí a očekává se, že úroveň zmatku dramaticky vzroste. Testováním své metody za těchto podmínek tým doufá, že objeví zcela nové kvantové jevy, které nebyly nikdy předtím pozorovány.
Závěr
Úspěšným použitím rozptylu neutronů k měření Fisherových kvantových informací vědci poskytli spolehlivý „teploměr“ pro měření zapletení v pevných látkách. Tento průlom poskytuje nezbytné nástroje pro studium nových materiálů a urychluje přechod od teoretické kvantové fyziky k funkčním kvantovým technologiím.
