Naukowcy od wielu lat próbują zajrzeć w „głębiny kwantowe” obiektów stałych, aby sprawdzić, czy ich cząstki rzeczywiście są ze sobą splątane. Chociaż możemy manipulować pojedynczymi cząstkami w kontrolowanej próżni lub w komputerze kwantowym, obserwacja zbiorowego splątania w fizycznym kawałku materii pozostaje nieuchwytnym celem.
Teraz zespół badawczy kierowany przez Allena Scheie z Narodowego Laboratorium w Los Alamos opracował rewolucyjną metodę pomiaru tego zjawiska, potencjalnie otwierając nowy rozdział zarówno w fizyce podstawowej, jak i rozwoju technologii kwantowych.
Problem „widocznego” potwierdzenia splątania
Splątanie kwantowe to zjawisko, w którym cząstki są połączone tak głęboko, że stan jednej natychmiast wpływa na stan drugiej, niezależnie od odległości między nimi. Ta „upiorna akcja na odległość” stanowi podstawę przyszłych technologii, takich jak ultrabezpieczne sieci komunikacyjne i potężne komputery kwantowe.
Do tej pory badacze stosowali testy Bella w celu potwierdzenia splątania między określonymi cząstkami, ale metody te trudno jest skalować do całych materiałów. Ustalenie, czy substancja stała – taka jak kryształ czy metal – była usiana splątaniem, było prawie niemożliwe, ponieważ złożoność materiału często przesłania połączenia kwantowe.
Metoda Neutronowa: nowy sposób zaglądania do środka
Przełom polega na wykorzystaniu neutronów jako „posłańców”. Fizycy wiedzą od lat pięćdziesiątych XX wieku, że wystrzeliwując neutrony w materiał i analizując sposób, w jaki się odbijają lub przez niego przechodzą, mogą uzyskać wskazówki dotyczące rozmieszczenia cząstek w środku.
Scheie i jego zespół udoskonalili tę koncepcję, aby obliczyć kwantową informację Fishera (QFI). Proces wygląda następująco:
1. Bombardowanie neutronami: Próbka materiału jest bombardowana neutronami.
2. Wykrywanie: Właściwości pojawiających się neutronów są rejestrowane przez wysoce precyzyjne detektory.
3. Obliczenia: analizując dane dotyczące neutronów, badacze mogą obliczyć QFI, wielkość matematyczną wskazującą minimalną liczbę cząstek w materiale, które muszą zostać splątane, aby uzyskać określony wynik.
Sprawdzona dokładność i wszechstronność
Zespół przetestował swoją technikę na różnych materiałach magnetycznych, w tym na dobrze znanym krysztale złożonym z potasu, miedzi i fluoru. Aby zapewnić dokładność metody, porównali wyniki eksperymentów z symulacjami komputerowymi struktury kwantowej kryształu.
„Wystąpiła uderzająca zgodność pomiędzy krzywymi eksperymentalnymi i teoretycznymi” – zauważył członek zespołu Pontus Laurell z Uniwersytetu Missouri.
Tym, co czyni tę metodę naprawdę rewolucyjną, jest jej zrównoważony rozwój :
– Nie wymaga modelu: W przeciwieństwie do poprzednich prób, technika ta działa nawet wtedy, gdy naukowcy nie mają wcześniej doskonałego modelu matematycznego materiału.
– Tolerancja niedoskonałości: Metoda pozostaje skuteczna nawet jeśli materiały próbki nie są „idealnymi” kryształami, co jest powszechną rzeczywistością w warunkach laboratoryjnych.
– Zastosowanie uniwersalne: Zespół stworzył niezawodną, powszechnie stosowaną metodę pomiaru splątania, którą można zastosować w przypadku szerokiej gamy nowych materiałów.
Dlaczego jest to ważne dla przyszłości
To odkrycie to nie tylko matematyczne zwycięstwo, to praktyczne narzędzie dla technologii nowej generacji. Ponieważ inżynierowie szukają lepszych materiałów do budowy procesorów i czujników kwantowych, potrzebują sposobu na sprawdzenie, czy materiały te mają właściwości kwantowe niezbędne do działania.
Teraz badacze przechodzą do jeszcze trudniejszego obszaru: pomiaru QFI podczas przemian fazowych. Przejście fazowe jest kwantowym odpowiednikiem zamiany wody w lód. W tych krytycznych punktach modele teoretyczne często się załamują i oczekuje się, że poziom zamieszania dramatycznie wzrośnie. Testując swoją metodę w tych warunkach, zespół ma nadzieję odkryć zupełnie nowe zjawiska kwantowe, których nigdy wcześniej nie obserwowano.
Wniosek
Dzięki pomyślnemu wykorzystaniu rozpraszania neutronów do pomiaru informacji kwantowej Fishera badacze stworzyli niezawodny „termometr” do pomiaru splątania w ciałach stałych. Ten przełom zapewnia niezbędne narzędzia do badania nowych materiałów i przyspiesza przejście od teoretycznej fizyki kwantowej do funkcjonalnych technologii kwantowych.
