I vardagen, materia beter sig på ett förutsägbart sätt, förväntat sätt. Om du kastar en boll, du antar att den kommer att resa i en viss riktning och ha en förutsägbar rekyl. Vad mer, krafter som utövas på ett objekt inte skulle påverka ett annat, oberoende objekt.

Men inom kvantmekaniken - de smås fysik - är reglerna helt olika. I ett, två, och trepartikelsystem, handlingar som sker på en plats kan starkt påverka atomer långt borta. Forskare har ännu inte full förståelse för detta, men genom att analysera beteendet hos dessa system och mer komplexa, de hoppas kunna hitta insikter.

Forskare från Quantum Systems Unit vid Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST), tillsammans med medarbetare vid University College Dublin och Durham University, simulerade ett av dessa system, som avslöjade kvanttillstånd - sätt som partiklar ordnar sig i isolerade system - som var oväntade. Deras resultat, publicerad i New Journal of Physics , kan ha applikationer för kvantteknik.

"Om du kastar en sten från en båt, stenen går den ena vägen och båten går den andra, "förklarade professor Thomas Busch, som leder enheten. "Inom kvantmekanik, vi kan ha mycket starkare korrelationer på mycket större avstånd. Det är som om du tar på dig en röd strumpa och en grön strumpa, då någon i Antarktis, som du aldrig har träffat, skulle behöva göra detsamma. Och vårt arbete har hittat nya stater med dessa mycket starka korrelationer, som kan kontrolleras mycket bra. "

Experimenterar med två atomer

När forskare undersöker makroskopiska system, de tenderar att titta på många partiklar - säg 1, 023. Eftersom det finns så många, de kan inte följa varje atom och måste göra antaganden. För att undvika detta, forskarna i denna studie använde ett annat alternativ.

"Vi simulerade ett system med bara två atomer, "sa författaren Ayaka Usui, en doktorsexamen student på enheten. "Detta utgjorde en byggsten för det större systemet, men vi kunde kontrollera allt och se exakt vad som hände. Och, för att ytterligare kontrollera detta system, vi betraktade superkalla atomer. "

Vid rumstemperatur, partiklar rör sig mycket snabbt. Ju varmare det är, desto snabbare rör de sig. Genom att använda laserkylning, dessa atomer kan bromsas och kylas ner tills de når nästan noll hastighet och är därmed superkalla. Detta gjorde det mycket lättare för Ayaka och kollegor att beskriva dem i sina simuleringar.

I ett sådant system, det enklaste partiklarna kan göra är att kollidera med varandra. Detta tvingar dem att röra sig och ändra riktning, men partiklar har också något som kallas snurr. Spinnet på en partikel pekar antingen uppåt eller nedåt och påverkar ytterligare hur den rör sig-en effekt som kallas spin-orbit-koppling. När forskarna simulerade ett system med två superkalla atomer som var snurrande i omloppsbana, dessa nya stater, med deras mycket starka korrelationer, avslöjades.

"Vi har systemen med tvåpartiklar där du får dessa tillstånd och de med 1, 023 där du inte gör det, "sade doktor Thomás Fogarty, Postdoktor i enheten. "Någonstans längs denna långa kedja av tillsats av partiklar, dessa nya stater försvinner. "

Engineering ytterligare insikter

"Vid sidan av de nya staterna, vi har upptäckt formlerna som beskriver detta system exakt, "sa Ayaka." Så nu, vi kan konstruera det. "

Genom att hitta dessa formler, forskarna har kontroll över systemet och de planerar nu att ändra parametrarna för att titta på systemets dynamik.

"Vi kommer att dela upp systemet, så vi har två av dem, "sa Ayaka." Vi kan använda de starka korrelationerna för att hjälpa oss att mäta systemet. Om vi ​​hittar en atom i ett av systemen, vi vet att den andra också finns i den, utan att mäta det, eftersom de är tätt korrelerade. "

Även om denna forskning bara koncentrerar sig på en liten aspekt av vad kvantmekanik kan göra, den har många applikationer, sa professor Busch.

"Kvantteknik behöver dessa korrelationer, "förklarade han." Dessa nya stater har de starkaste icke-klassiska korrelationerna som vi känner till, och vi kan konstruera dem. Med denna forskning, vi skulle kunna bygga mer kraftfulla datorer. Vi kan skapa mätinstrument som mäter små skillnader i gravitation eller elektriska pulser i hjärnan. Det finns så många applikationer att jobba mot. "