Un testimone chiave aiuta gli scienziati a scoprire lo “spaventoso” entanglement quantistico nei solidi

L’entanglement quantistico si verifica quando due particelle sembrano comunicare senza contatto fisico, un fenomeno che Albert Einstein chiamava “azione spettrale a distanza”. Quasi 90 anni dopo, un team guidato dall’Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti ha dimostrato la fattibilità di un “testimone di entanglement quantistico” in grado di dimostrare l’esistenza di entanglement tra particelle magnetiche, o spin, in un materiale quantistico.

Il team, che comprende ricercatori di ORNL, Helmholtz-Zentrum Berlin, Technical University of Berlin, Laue-Langevin Institute, University of Oxford e Adam Mickiewicz University, ha testato il coinvolgimento di tre testimoni utilizzando una combinazione di neutrone Esperimenti di dispersione e simulazioni computazionali. I testimoni di entanglement sono tecniche che fungono da strumenti di analisi dei dati per identificare i cicli che attraversano la soglia tra il mondo classico e quello quantistico.

Introdotto per la prima volta da Jon Stewart Bell negli anni ’60, i testimoni di entanglement lo hanno confermato Teoria dei quanti Altri studiosi hanno messo in dubbio che fosse vero. La tecnica di Bell si basava sul rilevamento di una coppia di particelle alla volta, ma questo approccio non è utile per studiare solidi composti da trilioni e trilioni di particelle. Prendendo di mira e scoprendo grandi serie di cicli entangled utilizzando nuovi testimoni di entanglement, il team ha esteso questo concetto per caratterizzare solidi Uno studio sul comportamento strano nei superconduttori e nei magneti quantistici.

Per garantire la fiducia dei testimoni, il team ha applicato i tre a un materiale che sapevano essere impigliato a causa di un precedente studio sulla dinamica rotazionale. Due testimoni, basati sull’approccio di Bell, hanno sufficientemente indicato l’esistenza di un entanglement a catena di spin unidimensionale – una linea retta di spin adiacenti che comunicano con i loro vicini ignorando le altre particelle – ma il terzo, che si basa sulla teoria dell’informazione quantistica, ha avuto un successo eccezionale nello stesso la missione.

ha affermato Allen Shi, ricercatore post-dottorato presso l’ORNL e autore principale del documento proof-of-concept del team pubblicato in revisione fisica b.

Poiché le fluttuazioni in una sostanza che sembra di natura quantistica possono essere causate da un movimento termico casuale, che scompare solo allo zero assoluto sulla scala della temperatura, i metodi più moderni non sono in grado di distinguere tra questi falsi allarmi e l’effettiva attività quantistica. Il team non solo ha confermato la previsione teorica secondo cui l’entanglement aumenta con la diminuzione della temperatura, ma ha anche differenziato con successo tra attività classica e attività quantistica come parte della dimostrazione più completa del QFI da quando la tecnologia è stata proposta nel 2016.

“I materiali più interessanti sono pieni di entanglement quantistico, ma sono proprio quelli che sono i più difficili da calcolare”, ha affermato Alan Tennant, uno scienziato della diffusione di neutroni presso l’ORNL, che guida un progetto incentrato sui magneti quantistici per la scienza quantistica. Centro o QSC. , che è il Centro nazionale di ricerca sulla scienza dell’informazione quantistica del Dipartimento dell’energia con sede presso l’ORNL.

In precedenza, la sfida della rapida identificazione dei materiali quantistici era un ostacolo importante alla missione del centro, che include lo sfruttamento dell’entanglement per sviluppare nuovi dispositivi e sensori mentre si sviluppa il campo della scienza dell’informazione quantistica. L’ottimizzazione di questo processo con QFI consente ai ricercatori QSC di concentrarsi sullo sfruttamento della forza di materiali come le fasi rare della materia chiamate fluidi di spin quantistico e materiali elettricamente irresistibili chiamati superconduttori. archivio dati e applicazioni informatiche.

“La forza del QFI deriva dalla sua associazione con la metrologia quantistica, in cui gli scienziati collegano più quasiparticelle per ridurre l’incertezza e ottenere misurazioni molto accurate”, ha affermato Scheie. “Il QFI Witness riflette questo approccio utilizzando l’accuratezza della misurazione corrente per determinare il numero minimo di particelle entangled con ogni spin. Questo è un metodo potente per rilevare le interazioni quantistiche, il che significa che QFI è davvero applicabile a qualsiasi materiale magnetico quantistico. “

Dopo aver dimostrato che QFI può classificare correttamente i materiali, il team ha testato una seconda serie di spin unidimensionale, un materiale più complesso caratterizzato da anisotropia, una proprietà che fa sì che gli spin giacciano su un piano anziché ruotare casualmente. I ricercatori hanno applicato un campo magnetico alla catena di spin e hanno osservato la trasmissione dell’entanglement, poiché la quantità di entanglement è scesa a zero prima di riapparire. Hanno pubblicato questo risultato in messaggi di revisione fisica.

Per ottenere questi risultati, i ricercatori hanno studiato entrambe le catene di spin utilizzando lo scattering di neutroni e poi hanno analizzato i vecchi dati di esperimenti vecchi di decenni presso la sorgente di neutroni ISIS in Inghilterra e l’Istituto Laue-Langevin in Francia insieme a nuovi dati da un elicottero su larga scala. Lo spettrometro si trova presso la Spallation Neutron Source, una struttura per gli utenti dell’Office of Science del DOE gestita da ORNL. Hanno anche eseguito simulazioni complementari per convalidare i risultati rispetto a dati teorici ideali.

I neutroni, che Tennant descrive come “meravigliosamente semplici”, sono uno strumento ideale per esaminare le proprietà di una sostanza grazie alla loro carica neutra e alla loro natura non distruttiva.

“Studiando la distribuzione della dispersione dei neutroni da un campione, che trasmette energia, siamo stati in grado di utilizzare i neutroni come metrica per misurare l’entanglement quantistico senza fare affidamento su teorie e senza la necessità di enormi computer quantistici che ancora non esistono”, Tennant disse.

Secondo il team, questa combinazione di risorse computazionali e sperimentali avanzate ha fornito risposte sulla natura di Entanglement quantistico Originariamente richiesto dai fondatori della meccanica quantistica. Scheie prevede che i calcoli QFI diventeranno probabilmente parte della procedura standard per neutrone Esperimenti di dispersione che possono finalmente caratterizzare anche i materiali quantistici più enigmatici.