Протягом багатьох років вчені намагалися зазирнути у «квантові надра» твердих об’єктів, щоб перевірити, чи справді їхні частки заплутані між собою. Хоча ми можемо маніпулювати окремими частинками в контрольованому вакуумі або квантовому комп’ютері, спостереження за колективною заплутаністю всередині фізичного фрагмента матерії залишалося важкою метою.
Тепер дослідницька група під керівництвом Аллена Шейє з Лос-Аламоської національної лабораторії розробила революційний метод виміру цього феномену, що потенційно відкриває новий розділ як у фундаментальній фізиці, так і у розвитку квантових технологій.
Проблема «зримого» підтвердження заплутаності
Квантова заплутаність – це явище, при якому частки зв’язуються настільки глибоко, що стан однієї миттєво впливає на стан іншої незалежно від відстані між ними. Ця «моторошна дія на відстані» є фундаментом для технологій майбутнього, таких як надзахищені комунікаційні мережі та потужні квантові комп’ютери.
До сьогодні дослідники використовували тести Белла, щоб підтвердити заплутаність між конкретними частинками, але ці методи важко масштабувати цілі матеріали. Визначити, чи пронизана тверда речовина – наприклад, кристал або метал – заплутаністю, було майже неможливо, оскільки складність матеріалу часто приховує квантові зв’язки.
Нейтронний метод: новий спосіб зазирнути всередину
Прорив полягає у використанні нейтронів як «посланців». Ще з 1950-х років фізикам відомо, що, обстрілюючи матеріал нейтронами та аналізуючи те, як вони відскакують від нього або проходять крізь нього, можна отримати відомості про розташування частинок усередині.
Шейє та його команда удосконалили цю концепцію для розрахунку квантової інформації Фішера (QFI). Процес виглядає так:
1. Нейтронне бомбардування: Зразок матеріалу обстрілюється нейтронами.
2. Детектування: Властивості нейтронів, що виходять, фіксуються високоточними детекторами.
3. Розрахунок: Аналізуючи дані про нейтрони, дослідники можуть обчислити QFI — математичну величину, яка вказує на мінімальну кількість частинок усередині матеріалу, які мають бути заплутані, щоб отримати цей конкретний результат.
Доведена точність та універсальність
Команда протестувала свою методику на різних магнітних матеріалах, включаючи відомий кристал, що складається з калію, міді і фтору. Щоб переконатися у точності методу, вони порівняли свої експериментальні результати із комп’ютерним моделюванням квантової структури кристала.
«Спостерігалася разюча відповідність між експериментальними та теоретичними кривими», — зазначив член команди Понтус Лаурелл з Університету Міссурі.
Що робить цей метод по-справжньому революційним, так це його стійкість.
– Не вимагає моделі: На відміну від попередніх спроб, ця техніка працює, навіть якщо вчені не мають ідеальної математичної моделі матеріалу заздалегідь.
– Толерантність до недосконалостей: Метод залишається ефективним, навіть якщо зразки матеріалів не є «ідеальними» кристалами, що є звичайною реальністю в лабораторних умовах.
– Універсальне застосування: Команда створила надійний, загальнозастосовуваний спосіб вимірювання заплутаності, який можна використовувати для широкого спектру нових матеріалів.
Чому це важливо для майбутнього
Це відкриття не просто математична перемога, це практичний інструмент для технологій наступного покоління. Оскільки інженери шукають кращі матеріали для створення квантових процесорів і сенсорів, їм необхідний спосіб перевірки того, чи ці матеріали мають квантові властивості, необхідні для роботи.
Зараз дослідники переходять до ще більш складної області: вимірювання QFI під час “фазових переходів”. Фазовий перехід – це квантовий еквівалент перетворення води на лід. У цих критичних точках теоретичні моделі часто дають збої, а рівень заплутаності, як очікується, різко зростає. Тестуючи свій метод у цих умовах, команда сподівається виявити абсолютно нові квантові явища, які ніколи не спостерігалися раніше.
Висновок
Успішно використовуючи розсіювання нейтронів для вимірювання квантової інформації Фішера, дослідники надали надійний термометр для вимірювання заплутаності в твердих тілах. Цей прорив дає необхідний інструментарій для вивчення нових матеріалів та прискорює перехід від теоретичної квантової фізики до функціональних квантових технологій.
