Teoretiska fysiker från Trinity College Dublin har hittat en djup koppling mellan en av de mest slående dragen hos kvantmekaniken – kvantintrassling – och termalisering, vilket är den process där något kommer i termisk jämvikt med sin omgivning.

Deras resultat publiceras idag [fredag ​​31 januari 2020] i den prestigefyllda tidskriften Fysiska granskningsbrev .

Vi är alla bekanta med termalisering – tänk bara på hur ditt kaffe når rumstemperatur med tiden. Quantum intrassling å andra sidan är en annan historia.

Ändå arbete utfört av Marlon Brenes, Ph.D. Kandidat, och professor John Goodd från Trinity, i samarbete med Silvia Pappalardi och professor Alessandro Silva vid SISSA i Italien, visar hur de två är oupplösligt förbundna.

Förklara vikten av upptäckten, Professor Goold, ledare för Trinitys QuSys-grupp, förklarar:

"Kvantförtrassling är en kontraintuitiv egenskap hos kvantmekaniken, vilket gör att partiklar som har interagerat med varandra någon gång i tiden blir korrelerade på ett sätt som inte är möjligt klassiskt. Mätningar på en partikel påverkar resultatet av mätningar av den andra – även om det skiljer ljusår mellan dem. Einstein kallade denna effekt "spöklik action på avstånd".

"Det visar sig att intrassling inte bara är läskig utan faktiskt är allestädes närvarande, och vad som faktiskt är ännu mer fantastiskt är att vi lever i en tid där tekniken börjar utnyttja denna funktion för att utföra bedrifter som ansågs vara omöjliga bara ett antal år gå. Dessa kvantteknologier utvecklas snabbt i den privata sektorn med företag som Google och IBM som leder loppet."

Men vad har allt detta med kallt kaffe att göra?

Professor Goold utvecklar:"När du förbereder en kopp kaffe och låter den svalna en stund kommer den att svalna tills den når omgivningens temperatur. Detta är termalisering. Inom fysiken säger vi att processen är irreversibel - som vi vet, vårt en gång varma kaffe svalnar inte och värms sedan upp magiskt igen. Hur irreversibilitet och termiskt beteende uppstår i fysiska system är något som fascinerar mig som vetenskapsman eftersom det gäller på skalor så små som atomer, till koppar kaffe, och även till utvecklingen av universum självt. I fysik, statistisk mekanik är teorin som syftar till att förstå denna process ur ett mikroskopiskt perspektiv. För kvantsystem är uppkomsten av termalisering notoriskt knepig och är ett centralt fokus för denna aktuella forskning."

Så vad har allt detta att göra med intrassling och vad säger dina resultat?

"Inom statistisk mekanik finns det olika sätt, kända som ensembler, där du kan beskriva hur ett system termaliserar, som alla tros vara likvärdiga när du har ett stort system (ungefär på skalor av 10^23 atomer). Dock, vad vi visar i vårt arbete är att inte bara är förveckling närvarande i processen, men dess struktur är väldigt olika beroende på vilket sätt du väljer att beskriva ditt system. Så, det ger oss ett sätt att testa grundläggande frågor inom statistisk mekanik. Idén är generell och kan tillämpas på en rad system så små som ett fåtal atomer och så stora som svarta hål."

Marlon Brenes, Ph.D. kandidat vid Trinity och första författare till tidningen, använde superdatorer för att simulera kvantsystem för att testa idén.

Brenes, en numerisk specialist, sa:"De numeriska simuleringarna för det här projektet som jag utförde är på gränsen för vad som för närvarande kan göras på nivån för högpresterande beräkningar. För att köra koden använde jag den nationella anläggningen, ICHEC, och den nya Kay-maskinen där. Så, Förutom att det var ett bra grundläggande resultat hjälpte arbetet oss verkligen att tänja på gränserna för denna typ av beräkningsmetod och fastställa att våra koder och den nationella arkitekturen presterar i framkant."