Когда-то Эйнштейн назвал квантовую запутанность «жутким действием на расстоянии», но она может показаться менее пугающей в свете результатов новых исследований. Физики из Osaka Metropolitan University разработали новые, более простые формулы для количественной оценки квантовой запутанности в сильно коррелированных электронных системах и применили их для изучения нескольких наноразмерных материалов. Полученные результаты позволяют по-новому взглянуть на квантовое поведение материалов с различными физическими характеристиками, что способствует прогрессу в области квантовых технологий.
Квантовая запутанность — это уникальное явление, при котором две частицы, однажды соединившись, остаются связанными независимо от того, как далеко друг от друга они находятся в пространстве. Эта фундаментальная особенность играет важную роль в таких развивающихся технологиях, как квантовые вычисления и квантовая криптография.
Несмотря на значительный прогресс в понимании этого так называемого «жуткого» явления, ученые все еще запутываются в его хитросплетениях. «Предыдущие исследования в основном были посвящены универсальным свойствам квантовой запутанности в материалах, обладающих магнетизмом или сверхпроводимостью», — говорит Юнори Нишикава, преподаватель Высшей школы наук Университета Осака Метрополитен и ведущий автор исследования.
Вместо этого команда сосредоточилась на квантовой запутанности между одним или двумя произвольно выбранными атомами в сильно коррелированной электронной системе и их окружением (остальной частью системы).
Сильно коррелированные электронные системы — это материалы, в которых электрон-электронные взаимодействия доминируют в поведении системы, что приводит к богатым, сложным и часто сильно запутанным квантовым состояниям. Такие системы служат благодатной почвой для изучения квантовой запутанности.
Исследователи вывели формулы для расчета ключевых квантовых информативных величин, включая энтропию запутанности (которая определяет степень запутанности системы), взаимную информацию (которая измеряет общую информацию между двумя частями системы) и относительную энтропию (которая измеряет различия между квантовыми состояниями). Эти величины важны для понимания того, как различные части квантовой системы взаимодействуют друг с другом и влияют друг на друга.
«Мы были приятно удивлены, когда обнаружили, что формула для энтропии запутывания может быть представлена в удивительно простом выражении», — говорит Нишикава.
Чтобы проверить новый подход, команда применила свои формулы к различным материальным системам, включая наноразмерные искусственные магнитные материалы, расположенные в линейной цепочке, и разбавленные магнитные сплавы. Анализ выявил контринтуитивные закономерности квантовой запутанности в наноразмерных искусственных магнитных системах. В разбавленных магнитных сплавах они успешно определили квантовую относительную энтропию как ключевую величину, позволяющую уловить эффект Кондо — явление, при котором магнитная примесь экранируется электронами проводимости.
«Поведение квантовой запутанности в наноразмерных искусственных магнитных материалах превзошло наши первоначальные ожидания, открыв новые пути для понимания квантовых взаимодействий», — сказал Нишикава.
Исследование прокладывает путь к более глубокому изучению квантовой запутанности, что может способствовать развитию квантовых технологий. «Наши формулы могут быть применены и к системам с другими физическими свойствами», — говорит Нишикава. «Мы надеемся вдохновить на дальнейшие исследования и дать новое представление о квантовом поведении различных материалов».
*Формула для расчета энтропии запутывания представлена на фото.
Исследование было опубликовано в журнале Physical Review B.
