Ett team av fysiker från ICTP-Trieste och IQOQI-Innsbruck har kommit på en förvånansvärt enkel idé att undersöka kvantintrassling av många partiklar. Istället för att gräva djupt i egenskaperna hos kvantvågsfunktioner, som är notoriskt svåra att experimentellt komma åt, de föreslår att realisera fysiska system som styrs av motsvarande förveckling Hamiltonians. Genom att göra så, Entanglement egenskaper hos det ursprungliga problemet av intresse blir tillgängliga via väletablerade verktyg.

Kvantförveckling utgör hjärtat av den andra kvantrevolutionen:det är en nyckelegenskap som används för att förstå former av kvantmateria, och en nyckelresurs för nuvarande och framtida kvantteknik. Fysiskt, intrasslade partiklar kan inte beskrivas som individuella partiklar med definierade tillstånd, men bara som ett enda system. Även när partiklarna är åtskilda på ett stort avstånd, förändringar i en partikel påverkar också omedelbart den eller de andra partiklarna. Intrasslingen av enskilda partiklar – oavsett om fotoner, atomer eller molekyler — är en del av vardagen i laboratoriet idag. I många kroppsfysik, efter Li och Haldanes banbrytande arbete, intrassling kännetecknas typiskt av det så kallade entanglement-spektrumet:det kan fånga väsentliga egenskaper hos kollektiva kvantfenomen, såsom topologisk ordning, och på samma gång, det gör det möjligt att kvantifiera "kvantiteten" för ett givet tillstånd - det vill säga, hur utmanande det är att helt enkelt skriva ner det på en klassisk dator.

Trots dess betydelse, de experimentella metoderna för att mäta intrasslingsspektrumet når snabbt sina gränser – fram till idag, dessa spektra har endast uppmätts i ett fåtal qubits-system. Med ett ökande antal partiklar, denna ansträngning blir hopplös när komplexiteten hos nuvarande tekniker ökar exponentiellt.

"I dag, det är mycket svårt att utföra ett experiment bortom få partiklar som gör att vi kan göra konkreta uttalanden om intrasslingsspektra, " förklarar Marcello Dalmonte från International Centre for Theoretical Physics (ICTP) i Trieste, Italien. Tillsammans med Peter Zoller och Benoît Vermersch vid universitetet i Innsbruck, han har nu hittat ett förvånansvärt enkelt sätt att direkt undersöka kvantentanglement. Fysikerna vänder upp och ner på konceptet med kvantsimulering genom att inte längre simulera ett visst fysiskt system i kvantsimulatorn, men direkt simulerar dess förveckling Hamiltonian operatör, vars spektrum av excitationer omedelbart relaterar till intrasslingsspektrumet.

"Istället för att simulera ett specifikt kvantproblem i laboratoriet och sedan försöka mäta intrasslingsegenskaperna, vi föreslår att helt enkelt vända på steken och direkt realisera motsvarande förveckling Hamiltonian, som ger omedelbar och enkel åtkomst till hoptrasslingsegenskaper, såsom intrasslingsspektrat, " förklarar Marcello Dalmonte. "Att sondera den här operatören i labbet är konceptuellt och praktiskt lika enkelt som att sondera konventionella många kroppsspektra, en väletablerad labbrutin."

Vidare, det finns knappast några gränser för denna metod när det gäller storleken på kvantsystemet. Detta kan också möjliggöra undersökning av intrasslingsspektra i system med många partiklar, vilket är notoriskt utmanande att hantera med klassiska datorer. Dalmonte, Vermersch och Zoller beskriver den radikalt nya metoden i en aktuell artikel i Naturfysik och demonstrera dess konkreta förverkligande på ett antal experimentella plattformar, som atomsystem, fångade joner och även fasta tillståndssystem baserade på supraledande kvantbitar.