Когда-то Эйнштейн описывал квантовую запутанность как «жуткое действие на расстоянии», но теперь, в свете новых результатов исследований, она может показаться менее пугающей.

Физики из Университета Осаки Метрополитен разработали новые, более простые формулы для количественной оценки квантовой запутанности в сильно коррелированных электронных системах и применили их для изучения нескольких наноматериалов . Их результаты предлагают новые перспективы квантового поведения в материалах с различными физическими характеристиками, способствуя прогрессу в квантовых технологиях .

Исследование опубликовано в Physical Review B.

Квантовая запутанность — это уникальное явление, при котором две частицы, будучи однажды связанными, остаются связанными независимо от того, насколько далеко они находятся друг от друга в пространстве. Эта фундаментальная особенность играет жизненно важную роль в новых технологиях, таких как квантовые вычисления и квантовая криптография.

Несмотря на значительный прогресс в понимании этого так называемого жуткого явления, ученые все еще запутались в его хитросплетениях.

«Предыдущие исследования в основном были сосредоточены на универсальных свойствах квантовой запутанности в материалах, проявляющих магнетизм или сверхпроводимость», — сказал Юнори Нисикава, преподаватель Высшей школы наук Университета Осаки и ведущий автор исследования.

Вместо этого команда пошла локальным путем: они сосредоточились на квантовой запутанности между одним или двумя произвольно выбранными атомами в сильно коррелированной электронной системе и их окружающей средой (остальной частью системы).

Сильно коррелированные электронные системы — это материалы, в которых электрон-электронные взаимодействия доминируют над поведением системы, что приводит к богатым, сложным и часто сильно запутанным квантовым состояниям. Эти системы служат плодородной почвой для изучения квантовой запутанности.

Исследователи вывели формулы для расчета ключевых квантовых информативных величин, включая энтропию запутанности (которая количественно определяет, насколько запутана система), взаимную информацию (которая измеряет общую информацию между двумя частями системы) и относительную энтропию (которая измеряет различия между квантовыми состояниями). Эти величины имеют решающее значение для понимания того, как различные части квантовой системы взаимодействуют и влияют друг на друга.

«Мы были приятно удивлены, когда обнаружили, что формулу для энтропии запутанности можно выразить удивительно простым выражением», — сказал Нисикава.

Чтобы проверить свой подход, команда применила свои формулы к различным материальным системам, включая наноразмерные искусственные магнитные материалы, организованные в линейную цепочку, и разбавленные магнитные сплавы.

Их анализ выявил контринтуитивные закономерности квантовой запутанности в наномасштабных искусственных магнитных системах. В разбавленных магнитных сплавах они успешно идентифицировали квантовую относительную энтропию как ключевую величину для захвата эффекта Кондо, явления, при котором магнитная примесь экранируется электронами проводимости.

«Поведение квантовой запутанности в наномасштабных искусственных магнитных материалах превзошло наши первоначальные ожидания, открыв новые возможности для понимания квантовых взаимодействий», — сказал Нисикава.

Исследование открывает путь к более глубокому изучению квантовой запутанности, которое может способствовать прогрессу в квантовых технологиях.

«Наши формулы также можно применять к системам с различными другими физическими свойствами», — сказал Нисикава. «Мы надеемся вдохновить дальнейшие исследования и предоставить новые знания о квантовом поведении в различных материалах».