На протяжении многих лет ученые пытались заглянуть в «квантовые недра» твердых объектов, чтобы проверить, действительно ли их частицы запутаны между собой. Хотя мы можем манипулировать отдельными частицами в контролируемом вакууме или квантовом компьютере, наблюдение за коллективной запутанностью внутри физического фрагмента материи оставалось труднодостижимой целью.
Теперь исследовательская группа под руководством Аллена Шейе из Лос-Аламосской национальной лаборатории разработала революционный метод измерения этого феномена, что потенциально открывает новую главу как в фундаментальной физике, так и в развитии квантовых технологий.
Проблема «зримого» подтверждения запутанности
Квантовая запутанность — это явление, при котором частицы связываются настолько глубоко, что состояние одной мгновенно влияет на состояние другой, независимо от расстояния между ними. Это «жуткое действие на расстоянии» является фундаментом для технологий будущего, таких как сверхзащищенные коммуникационные сети и мощные квантовые компьютеры.
До сегодняшнего дня исследователи использовали тесты Белла, чтобы подтвердить запутанность между конкретными частицами, но эти методы трудно масштабировать на целые материалы. Определить, пронизано ли твердое вещество — например, кристалл или металл — запутанностью, было почти невозможно, так как сложность материала часто скрывает квантовые связи.
Нейтронный метод: новый способ заглянуть внутрь
Прорыв заключается в использовании нейтронов в качестве «посланников». Еще с 1950-х годов физикам известно, что, обстреливая материал нейтронами и анализируя то, как они отскакивают от него или проходят сквозь него, можно получить сведения о расположении частиц внутри.
Шейе и его команда усовершенствовали эту концепцию для расчета квантовой информации Фишера (QFI). Процесс выглядит следующим образом:
1. Нейтронная бомбардировка: Образец материала обстреливается нейтронами.
2. Детектирование: Свойства выходящих нейтронов фиксируются высокоточными детекторами.
3. Расчет: Анализируя данные о нейтронах, исследователи могут вычислить QFI — математическую величину, которая указывает на минимальное количество частиц внутри материала, которые должны быть запутаны, чтобы получить данный конкретный результат.
Доказанная точность и универсальность
Команда протестировала свою методику на различных магнитных материалах, включая известный кристалл, состоящий из калия, меди и фтора. Чтобы убедиться в точности метода, они сравнили свои экспериментальные результаты с компьютерным моделированием квантовой структуры кристалла.
«Наблюдалось поразительное соответствие между экспериментальными и теоретическими кривыми», — отметил член команды Понтус Лаурелл из Университета Миссури.
Что делает этот метод по-настоящему революционным, так это его устойчивость :
— Не требует модели: В отличие от предыдущих попыток, эта техника работает, даже если у ученых нет идеальной математической модели материала заранее.
— Толерантность к несовершенствам: Метод остается эффективным, даже если образцы материалов не являются «идеальными» кристаллами, что является обычной реальностью в лабораторных условиях.
— Универсальное применение: Команда создала надежный, общеприменимый способ измерения запутанности, который можно использовать для самого широкого спектра новых материалов.
Почему это важно для будущего
Это открытие — не просто математическая победа, это практический инструмент для технологий следующего поколения. Поскольку инженеры ищут лучшие материалы для создания квантовых процессоров и сенсоров, им необходим способ проверки того, обладают ли эти материалы квантовыми свойствами, необходимыми для работы.
Сейчас исследователи переходят к еще более сложной области: измерению QFI во время фазовых переходов. Фазовый переход — это квантовый эквивалент превращения воды в лед. В этих критических точках теоретические модели часто дают сбои, а уровень запутанности, как ожидается, резко возрастает. Тестируя свой метод в этих условиях, команда надеется обнаружить совершенно новые квантовые явления, которые никогда не наблюдались ранее.
Заключение
Успешно используя рассеяние нейтронов для измерения квантовой информации Фишера, исследователи предоставили надежный «термометр» для измерения запутанности в твердых телах. Этот прорыв дает необходимый инструментарий для изучения новых материалов и ускоряет переход от теоретической квантовой физики к функциональным квантовым технологиям.
