Forskere forfiner opskriften på kvanteforbedrede teknologier

U.S. Army Research Laboratory og dets partnere har fået et gennembrud i forståelsen af ​​strukturen i sammenfiltring i kvantesystemer med langdistanceinteraktioner.

Forvikling, siger forskere, er en afgørende ressource, der kan udnyttes til ultrasikker kommunikation, "fantastisk præcis" måling, udsøgte ure og anden tidtagning, samt computere med enestående strøm.

Kvantemekanik, eller den fysiske teori, der styrer den mikroskopiske verden, forudsiger mange mærkelige og kontraintuitive adfærd, sagde ARL-fysiker Dr. Michael Foss-Feig. "Hvor underlig denne adfærd end kan virke, der er ingen tvivl om, at de er virkelige. Gennem det 20. århundrede, kvantemekanikkens forudsigelser er blevet testet og verificeret i mange forsøg på mikroskopiske systemer, såsom individuelle atomer. "

Foss-Feig bemærkede, at i begyndelsen af ​​det 21. århundrede, en af ​​de mest spændende grænser inden for kvantefysik er at kontrollere denne mærkelige adfærd så fuldstændigt, at den kan tages ud af makroskopiske systemer, for eksempel ultrakolde gasser, der indeholder millioner af atomer. Han sagde, at hvis dette kan opnås, et væld af DOD -relevante applikationer vil følge.

Laboratoriet indgik et samarbejde med Joint Quantum Institute og Caltech. Deres gennembrud var afhængig af at forstå en mærkelig adfærd kendt som kvanteindvikling.

I klassisk fysik, at beskrive tilstanden for to objekter er ikke meget vanskeligere end at beskrive tilstanden for et objekt. "For eksempel, hvis du og jeg hver har en lyspære, og vi vil beskrive dem begge, vi kan sige 'min er tændt, og din er slukket ', og det ville afklare tingene. Men hvis disse pærer er sammenfiltrede, så kan ingen af ​​dem siges at være tændt eller slukket, og på en eller anden måde kan de både være til og fra på samme tid, "forklarede han." I stedet for at tildele hver pære en bestemt tilstand af "tændt" eller "slukket", vi er nødt til at beskrive, hvor sandsynligt det er, at vi har hver mulig kombination af 'til' og 'fra'. "

I makroskopiske systemer, der består af mange kvanteobjekter, konsekvenserne af sammenfiltring er dybe, han sagde.

Selvom den klassiske strategi til beskrivelse af mange pærer stadig er enkel ("den første er tændt, det næste er slukket ..., den sidste er på "), en samling af sammenfiltrede lyspærer skal beskrives ved at tildele en sandsynlighed for alle mulige måder, pærerne kan tændes på. Fordi antallet af måder, hvorpå mange pærer kan tændes eller slukkes, vokser meget hurtigt (eksponentielt) med antallet af pærer, store kvantesystemer indeholder langt mere information end klassiske systemer i sammenlignelig størrelse. Denne mærkelige observation spiller en afgørende rolle for store kvantesystemers evne til at udføre vanskelige opgaver, men det medfører også dybe vanskeligheder med at beskrive og forudsige deres adfærd.

Måske er den dybeste indsigt i forvikling foretaget i de sidste flere årtier, at lyspæreeksemplet ofte er for naivt.

"Der er faktisk en forenkling af de sammenfiltringsmønstre, der kan dannes i 'rimelige' fysiske systemer, såsom dem, hvor partikler kun interagerer over korte afstande, "Foss-Feig sagde." Denne struktur, kaldet 'områdeloven', siger, at sammenfiltring er en lokal ejendom. Som resultat, store systemer - hvis de overholder områdeloven - er ikke så meget sværere at beskrive end små systemer. Denne struktur antyder også, at hvis vi vil udnytte store kvantesystemer som værktøjer til at udføre vanskelige opgaver, det kan hjælpe at konstruere dem til at være (i det mindste lidt) 'urimelige'. "

Foss-Feig sagde, at en meget naturlig måde at gøre det på er at skænke et kvantesystem med langdistanceinteraktioner.

"For eksempel, en gas af molekyler kan polariseres af et elektrisk felt, så de interagerer over lange afstande som små elektriske dipoler, " han sagde.

Men hvor langvarige disse interaktioner må være, før et system bryder sig fri fra områdeloven, er et svært spørgsmål, som det fælles forskerhold håber at svare på.

I et nyligt papir, der blev offentliggjort i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve , forskerne tog et vigtigt første skridt mod et svar ved at tilvejebringe et matematisk bevis på, at systemer med langtrækkende interaktioner stadig overholder områdeloven, så længe interaktionerne ikke er for lange. Dette arbejde hjælper med at fastslå den undvigende liniedifferentierende kvantesystemer, der effektivt kan beskrives fra dem, der ikke kan. I fremtiden, forfatterne håber at udnytte strukturen i dette bevis for bedre at forstå de minimale ingredienser, der er nødvendige for at konstruere kvantesystemer, der besidder mere (og mere kompleks) sammenfiltring.