Entanglement är ett kvantfenomen där egenskaperna hos två eller flera partiklar blir sammankopplade på ett sådant sätt att man inte längre kan tilldela varje enskild partikel ett bestämt tillstånd. Snarare måste vi betrakta alla partiklar på en gång som delar ett visst tillstånd. Intrasslingen av partiklarna bestämmer i slutändan egenskaperna hos ett material.
"Intrassling av många partiklar är den egenskap som gör skillnaden", säger Christian Kokail, en av de första författarna till tidningen publicerad i Nature . "Samtidigt är det dock väldigt svårt att avgöra."
Forskarna ledda av Peter Zoller vid universitetet i Innsbruck och Institutet för kvantoptik och kvantinformation (IQOQI) vid Österrikiska vetenskapsakademin (ÖAW) tillhandahåller nu ett nytt tillvägagångssätt som avsevärt kan förbättra studien och förståelsen av intrassling i kvantmaterial .
För att beskriva stora kvantsystem och extrahera information från dem om den existerande intrasslingen skulle man naivt behöva utföra ett omöjligt stort antal mätningar. "Vi har utvecklat en mer effektiv beskrivning som gör att vi kan extrahera intrasslingsinformation från systemet med drastiskt färre mätningar", förklarar teoretisk fysiker Rick van Bijnen.
I en jonfälla kvantsimulator med 51 partiklar har forskarna imiterat ett riktigt material genom att återskapa det partikel för partikel och studera det i en kontrollerad laboratoriemiljö. Väldigt få forskargrupper över hela världen har den nödvändiga kontrollen över så många partiklar som Innsbrucks experimentfysiker under ledning av Christian Roos och Rainer Blatt.
"Den främsta tekniska utmaningen vi står inför här är hur vi kan bibehålla låga felfrekvenser samtidigt som vi kontrollerar 51 joner som fångas i vår fälla och säkerställer genomförbarheten av individuell qubit-kontroll och avläsning", förklarar experimentalisten Manoj Joshi.
I processen bevittnade forskarna för första gången effekter i experimentet som tidigare bara beskrivits teoretiskt. "Här har vi kombinerat kunskap och metoder som vi mödosamt arbetat fram tillsammans under de senaste åren. Det är imponerande att se att man kan göra dessa saker med de resurser som finns idag", säger Kokail, som nyligen började på Institutet för teoretisk atommolekyl och Optisk fysik vid Harvard.
I ett kvantmaterial kan partiklar vara mer eller mindre starkt intrasslade. Mätningar på en starkt intrasslad partikel ger endast slumpmässiga resultat. Om resultaten av mätningarna fluktuerar väldigt mycket - d.v.s. om de är rent slumpmässiga - så hänvisar forskare till detta som "hett". Om sannolikheten för ett visst resultat ökar är det ett "kallt" kvantobjekt. Endast mätningen av alla intrasslade föremål avslöjar det exakta tillståndet.
I system som består av väldigt många partiklar ökar ansträngningen för mätningen enormt. Kvantfältteorin har förutspått att subregioner av ett system av många intrasslade partiklar kan tilldelas en temperaturprofil. Dessa profiler kan användas för att härleda graden av intrassling av partiklarna.
I Innsbrucks kvantsimulator bestäms dessa temperaturprofiler via en återkopplingsslinga mellan en dator och kvantsystemet, där datorn hela tiden genererar nya profiler och jämför dem med de faktiska mätningarna i experimentet.
Temperaturprofilerna som forskarna tagit fram visar att partiklar som interagerar starkt med miljön är "heta" och de som interagerar lite är "kalla".
"Detta är exakt i linje med förväntningarna om att intrassling är särskilt stor där interaktionen mellan partiklar är stark", säger Kokail.
"De metoder vi har utvecklat ger ett kraftfullt verktyg för att studera storskalig intrassling i korrelerad kvantmateria. Detta öppnar dörren till studiet av en ny klass av fysiska fenomen med kvantsimulatorer som redan finns tillgängliga idag", säger Zoller.
"Med klassiska datorer kan sådana simuleringar inte längre beräknas med rimlig ansträngning." De metoder som utvecklats i Innsbruck kommer också att användas för att testa ny teori på sådana plattformar.
Mer information: Peter Zoller, Exploring storskalig intrassling i kvantsimulering, Nature (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06768-0. www.nature.com/articles/s41586-023-06768-0
Journalinformation: Natur
Tillhandahålls av University of Innsbruck
