U.S. Army Research Laboratory och dess partners har gjort ett genombrott för att förstå strukturen av intrassling i kvantsystem med långväga interaktioner.

Förveckling, forskare säger, är en avgörande resurs som kan utnyttjas för ultrasäker kommunikation, "fantastiskt exakt" mätning, utsökta klockor och annan tidtagning, samt datorer med oöverträffad kraft.

Kvantmekanik, eller den fysiska teorin som styr den mikroskopiska världen, förutsäger många konstiga och kontraintuitiva beteenden, sade ARL-fysikern Dr Michael Foss-Feig. "Hur konstigt dessa beteenden än kan verka, det råder föga tvivel om att de är verkliga. Under hela 1900-talet, kvantmekanikens förutsägelser har testats och verifierats i många experiment på mikroskopiska system, såsom enskilda atomer."

Foss-Feig noterade att i början av 2000-talet, en av de mest spännande gränserna inom kvantfysiken är att kontrollera detta konstiga beteende så fullständigt att det kan retas ut från makroskopiska system, till exempel ultrakalla gaser som innehåller miljontals atomer. Han sa att om detta kan uppnås, ett oväntat antal DOD-relevanta ansökningar kommer att följa.

Laboratoriet samarbetade med Joint Quantum Institute och Caltech. Deras genombrott hängde på att förstå ett märkligt beteende som kallas kvantintrassling.

I klassisk fysik, att beskriva tillståndet för två objekt är inte mycket svårare än att beskriva tillståndet för ett objekt. "Till exempel, om du och jag har varsin glödlampa och vi vill beskriva dem båda, vi kan säga 'min är på,' och din är avstängd', och det skulle lösa saker. Men om dessa glödlampor är intrasslade, då kan varken sägas vara på eller av, och i någon mening kan var och en vara både på och av samtidigt, " förklarade han. "Istället för att tilldela varje glödlampa ett bestämt tillstånd "på" eller "av", vi måste beskriva hur troligt det är att vi har alla möjliga kombinationer av 'på' och 'av'."

I makroskopiska system som består av många kvantobjekt, konsekvenserna av intrassling är djupgående, han sa.

Medan den klassiska strategin för att beskriva många glödlampor fortfarande är enkel ("den första är tänd, nästa är avstängd..., den sista är på"), en samling intrasslade glödlampor måste beskrivas genom att tilldela en sannolikhet för alla möjliga sätt som glödlamporna kan tändas på. Eftersom antalet sätt som många lökar kan vara på eller av växer mycket snabbt (exponentiellt) med antalet lökar, stora kvantsystem innehåller mycket mer information än klassiska system av jämförbar storlek. Denna märkliga observation spelar en avgörande roll för stora kvantsystems förmåga att utföra svåra uppgifter, men det orsakar också stora svårigheter att beskriva och förutsäga deras beteende.

Den kanske djupaste insikten om förveckling som gjorts under de senaste decennierna är att glödlampsexemplet ofta är för naivt.

"Det finns i själva verket en förenklad struktur för de mönster av intrassling som kan bildas i "rimliga" fysiska system, som de där partiklar endast interagerar över korta avstånd, " Sa Foss-Feig. "Denna struktur, kallas "områdeslagen", säger att intrassling är en lokal egendom. Som ett resultat, stora system – om de följer områdeslagen – är inte så mycket svårare att beskriva än små system. Denna struktur antyder också att om vi vill utnyttja stora kvantsystem som verktyg för att utföra svåra uppgifter, det kan hjälpa att konstruera dem till att vara (åtminstone lite) "orimliga."

Foss-Feig sa att ett mycket naturligt sätt att göra det på är att förse ett kvantsystem med långväga interaktioner.

"Till exempel, en gas av molekyler kan polariseras av ett elektriskt fält så att de interagerar över långa avstånd som små elektriska dipoler, " han sa.

Men hur långvariga dessa interaktioner måste vara innan ett system bryter sig fri från områdeslagen är en svår fråga som det gemensamma forskarteamet hoppas kunna besvara.

I en nyligen publicerad artikel i tidskriften Fysiska granskningsbrev , forskarna tog ett viktigt första steg mot ett svar genom att ge ett matematiskt bevis på att system med långväga interaktioner fortfarande följer områdeslagen så länge interaktionerna inte är för långväga. Detta arbete hjälper till att fastställa den svårfångade linjen som skiljer kvantsystem som effektivt kan beskrivas från de som inte kan. I framtiden, författarna hoppas kunna utnyttja strukturen i detta bevis för att bättre förstå de minimala ingredienser som behövs för att konstruera kvantsystem som har mer (och mer komplexa) förvecklingar.