Физики разработали алгоритм для изучения запутанности в квантовых системах

Квантовая запутанность — явление, при котором частицы таинственным образом связаны друг с другом, независимо от того, насколько далеко они находятся друг от друга, — представляет собой давнюю проблему в физическом мире, особенно в понимании ее поведения в сложных квантовых системах.

Исследовательская группа с физического факультета Гонконгского университета (HKU) и их коллеги недавно разработали новый алгоритм в квантовой физике, известный как «микроскопия запутанности», который позволяет визуализировать и отображать это необычное явление в микроскопическом масштабе. Увеличивая масштаб сложных взаимодействий запутанных частиц, можно раскрыть скрытые структуры квантовой материи, что может изменить технологии и углубить понимание Вселенной.

Это исследование, проведенное под руководством профессора Цзы Яна Мэнга и в соавторстве с его аспирантами Тинг-Тунгом Вангом и Менганом Сонгом с физического факультета HKU в сотрудничестве с профессором Уильямом Витчаком-Кремпой и аспиранткой Люке Лю из Монреальского университета, раскрывает скрытые структуры квантовой запутанности в системах многих тел, предлагая новый взгляд на поведение квантовой материи.

Результаты исследования опубликованы в престижном журнале Nature Communications.

Прорыв в картировании квантовой запутанности

Квантовая запутанность описывает глубокую связь между частицами, когда состояние одной частицы мгновенно связывается с другой, даже на огромных расстояниях. Представьте себе, что вы бросаете две игральные кости в разных местах. Квантовая запутанность — это то, что результат броска одной кости всегда определяет результат броска другой, независимо от того, как далеко они находятся друг от друга. Это явление, которое Альберт Эйнштейн назвал «жутким действием на расстоянии», является не просто теоретической диковинкой, а лежит в основе таких технологий, как квантовые вычисления, криптография, изучение экзотических материалов и черных дыр. Однако получить информацию о запутанности в квантовых системах многих тел как аналитически, так и численно довольно сложно из-за экспоненциально большой степени свободы.

Исследователи решили эту проблему, разработав «микроскопию запутанности» — инновационный протокол, основанный на крупномасштабном квантовом моделировании Монте-Карло, который может успешно извлекать информацию о запутанности в небольших областях квантовых систем. Фокусируясь на этих микроскопических областях, метод позволяет выявить, как частицы взаимодействуют и организуются сложным образом, особенно вблизи критических точек квантовых фазовых переходов — особых состояний, в которых квантовые системы претерпевают глубокие изменения в поведении.

Их исследование было сосредоточено на двух выдающихся моделях в двумерном пространстве: модели Изинга с поперечным полем и фермионной модели t-V, реализующей переход Гросса-Неву-Юкавы для фермионов Дирака, каждая из которых раскрывает захватывающие идеи о природе квантовой запутанности. Они обнаружили, что в критической точке квантовой модели Изинга запутанность является короткодействующей, то есть частицы связаны только на небольших расстояниях. Эта связь может внезапно исчезнуть из-за изменения расстояния или температуры — явление, известное как «внезапная смерть». В отличие от этого, исследование фермионного перехода показало более постепенное уменьшение запутанности даже при больших расстояниях, что говорит о том, что частицы могут сохранять связь, несмотря на большое расстояние друг от друга.

Интригующе, но команда обнаружила, что в двумерных переходах Изинга трехчастичная запутанность отсутствует, в то время как в одномерных системах она присутствует. Это означает, что размерность системы существенно влияет на поведение запутанности. Если говорить упрощенно, то низкоразмерные системы напоминают небольшую компанию друзей, где более вероятны глубокие связи (сложное многочастичное запутывание). И наоборот, высокоразмерные системы, сравнимые с большими, более сложными социальными сетями, часто подавляют такие связи. Эти результаты позволяют понять, как изменяется структура запутанности с ростом сложности системы.

Применение и влияние

Это открытие имеет значительные последствия для развития квантовых технологий. Более четкое понимание запутанности может помочь оптимизировать аппаратное обеспечение и алгоритмы квантовых вычислений, что позволит быстрее решать проблемы в таких областях, как криптография и искусственный интеллект. Он также открывает путь к созданию квантовых материалов нового поколения, которые найдут применение в энергетике, электронике и сверхпроводимости. Кроме того, этот инструмент может углубить наше понимание фундаментальной физики и улучшить квантовое моделирование в химии и биологии.

Ранее ученые нашли зависимость квантовой запутанности от площади.

23.01.2025


Подписаться в Telegram



Хайтек

Легкие и прочные: как Al-Sc сплавы покоряют промышленность
Легкие и прочные: как Al-Sc сплавы покоряют промышленность

3D-печать меняет правила игры: она дает б...

Световые качели: физики открыли новый способ управлять светом
Световые качели: физики открыли новый способ управлять светом

Физики научились управлять светом в кроше...

Тараканы-киборги — спасатели ближайшего будущего
Тараканы-киборги — спасатели ближайшего будущего

От зон стихийных бедствий до экстрем...

Томские ученые раскрыли секреты молекулярных взаимодействий
Томские ученые раскрыли секреты молекулярных взаимодействий

Ученые из Томского политехнического униве...

100 миллионов за молекулярный прорыв: в Уфе запустили супер-спектрометр
100 миллионов за молекулярный прорыв: в Уфе запустили супер-спектрометр

В Уфимском федеральном исследовательском центр...

От идеи до Росатома: история успеха проекта RSP
От идеи до Росатома: история успеха проекта RSP

В НИЯУ МИФИ создали онлайн-сервис —...

CARMA II — автономный робот, который делает ядерные объекты безопаснее
CARMA II — автономный робот, который делает ядерные объекты безопаснее

Передовая роботизированная система CARMA II ус...

Нейросети будущего: поляритоны в СПбГУ бьют рекорды точности
Нейросети будущего: поляритоны в СПбГУ бьют рекорды точности

Ученые из Санкт-Петербургского государств...

MIT учит дронов избегать столкновений: новый метод GCBF+
MIT учит дронов избегать столкновений: новый метод GCBF+

Инженеры из MIT придумали, как сдела...

Фокус на будущее: киноформные линзы меняют правила игры
Фокус на будущее: киноформные линзы меняют правила игры

Сотрудники лаборатории 3D-печати функциональны...

Российский минерал совершил революцию в мире двумерных материалов
Российский минерал совершил революцию в мире двумерных материалов

Ученые Томского политехнического университета ...

Свет из земли: как глина превратилась в дисплей
Свет из земли: как глина превратилась в дисплей

Мир дисплеев скоро изменится благодаря новым м...

В МИФИ создан радиоизотопный прибор для отечественной металлургии
В МИФИ создан радиоизотопный прибор для отечественной металлургии

В Национальном исследовательском ядерном униве...

Преодоление физических барьеров: на пути к новым квантовым технологиям
Преодоление физических барьеров: на пути к новым квантовым технологиям

Комментирует профессор Майя Вергниори, которая...

Впервые в России: в Катайске начали выпуск уникальных насосов
Впервые в России: в Катайске начали выпуск уникальных насосов

Катайский насосный завод, который находится в&...

Ученые ТПУ продемонстрировали, как у капель появляются «пальцы»
Ученые ТПУ продемонстрировали, как у капель появляются «пальцы»

Исследователи из Томского политехническог...

Поиск на сайте

Знатоки клуба инноваций


ТОП - Новости мира, инновации

Невидимые враги: как ароматизаторы превращают ваш дом в угрозу для здоровья
Невидимые враги: как ароматизаторы превращают ваш дом в угрозу для здоровья
Легкие и прочные: как Al-Sc сплавы покоряют промышленность
Легкие и прочные: как Al-Sc сплавы покоряют промышленность
Cell Reports: Голодание приносит пользу взрослым, но создает риск для подростков
Cell Reports: Голодание приносит пользу взрослым, но создает риск для подростков
69 ученых, которые меняют мир: история успеха из Нижнего Новгорода
69 ученых, которые меняют мир: история успеха из Нижнего Новгорода
Как взрываются звезды: открытия, которые меняют наше представление о Вселенной
Как взрываются звезды: открытия, которые меняют наше представление о Вселенной
Спасти жизнь за минуты сможет кетамин в борьбе с эпилептическим статусом
Спасти жизнь за минуты сможет кетамин в борьбе с эпилептическим статусом
Как получить инструмент будущих инженеров бесплатно, если ты студент
Как получить инструмент будущих инженеров бесплатно, если ты студент
От шахт до чистой энергии: путь австралийской горнодобывающей промышленности
От шахт до чистой энергии: путь австралийской горнодобывающей промышленности
Больничные раковины и невидимый враг, который в них живет
Больничные раковины и невидимый враг, который в них живет
Цикорий и кобальт: дуэт против рака, бьющий точно в цель
Цикорий и кобальт: дуэт против рака, бьющий точно в цель
Без капитана, но с комфортом: в Нижнем Новгороде строят судно без экипажа
Без капитана, но с комфортом: в Нижнем Новгороде строят судно без экипажа
Лазер, графен, полимер: как создают электронику, которую можно сгибать
Лазер, графен, полимер: как создают электронику, которую можно сгибать
Ученые объединили два прибора в один, чтобы лучше анализировать газы
Ученые объединили два прибора в один, чтобы лучше анализировать газы
Световые качели: физики открыли новый способ управлять светом
Световые качели: физики открыли новый способ управлять светом
Удаленка навсегда: как бизнес адаптируется к новым реалиям
Удаленка навсегда: как бизнес адаптируется к новым реалиям

Новости компаний, релизы

Более 200 нижегородцев посетили научные кинопоказы честь Дня российской науки
Школьников и студентов Хабаровского края приглашают написать всероссийский диктант «Наука во имя Победы»
На Фестивале «Москва — Точка старта» победили проекты из МИФИ
«Десятилетие науки и технологий»: волгоградские ученые получили премии и гранты
Три представительницы Республики Татарстан стали победителями Всероссийского конкурса Знание.Лектор