29 نوامبر 2023 – توسط دانشگاه اینسبروک – پروفیل های دمایی به دست آمده توسط محققان نشان می دهد که ذراتی که به شدت با محیط برهمکنش می کنند “گرم” (قرمز) و آنهایی که برهمکنش کمی دارند “سرد” (آبی) هستند. بنابراین در جایی که برهمکنش بین ذرات قوی است، درهم تنیدگی زیاد است. اعتبار: هلن هاینزر
درهم تنیدگی یک پدیده کوانتومی است که در آن ویژگی‌های دو یا چند ذره به‌گونه‌ای به هم مرتبط می‌شوند که دیگر نمی‌توان به هر ذره حالت مشخصی داد. بلکه باید همه ذراتی را که حالت خاصی دارند به یکباره در نظر بگیریم. درهم تنیدگی ذرات در نهایت خواص یک ماده را تعیین می کند.
کریستین کوکیل، یکی از نویسندگان مقاله منتشر شده در نیچر، می‌گوید: «درهم‌تنیدگی بسیاری از ذرات ویژگی‌ای است که تفاوت را ایجاد می‌کند. در عین حال، تعیین آن بسیار دشوار است.
محققان به رهبری پیتر زولر در دانشگاه اینسبروک و موسسه اپتیک کوانتومی و اطلاعات کوانتومی (IQOQI) آکادمی علوم اتریش (ÖAW) اکنون رویکرد جدیدی ارائه می‌کنند که می‌تواند مطالعه و درک درهم تنیدگی در مواد کوانتومی را به طور قابل توجهی بهبود بخشد .
برای توصیف سیستم های کوانتومی بزرگ و استخراج اطلاعات از آنها در مورد درهم تنیدگی موجود، ساده لوحانه نیاز به انجام تعداد بسیار زیادی اندازه گیری وجود دارد. ریک ون بیجنن، فیزیکدان نظری توضیح می دهد: «ما توصیف کارآمدتری ایجاد کرده ایم که به ما امکان می دهد اطلاعات درهم تنیدگی را با اندازه گیری های بسیار کمتری از سیستم استخراج کنیم.
در یک شبیه ساز کوانتومی تله یونی با 51 ذره، دانشمندان یک ماده واقعی را با بازسازی ذره به ذره و مطالعه آن در یک محیط آزمایشگاهی کنترل شده تقلید کرده اند. تعداد بسیار کمی از گروه های تحقیقاتی در سراسر جهان به اندازه فیزیکدانان تجربی اینسبروک به رهبری کریستین روس و راینر بلات، کنترل لازم را بر ذرات بسیاری دارند.
مانوج جوشی، متخصص تجربی توضیح می‌دهد: «چالش فنی اصلی که در اینجا با آن روبرو هستیم این است که چگونه نرخ خطای پایینی را حفظ کنیم و در عین حال 51 یون به دام افتاده در تله خود را کنترل کنیم و از امکان‌پذیری کنترل و بازخوانی کیوبیت فردی اطمینان حاصل کنیم.
در این فرآیند، دانشمندان برای اولین بار شاهد اثراتی در این آزمایش بودند که قبلاً فقط به صورت تئوری توضیح داده شده بود. کوکیل که اخیراً به مؤسسه نظری مولکولی اتمی و مولکولی اتمی فیزیک نوری در هاروارد پیوسته، می‌گوید: «در اینجا ما دانش و روش‌هایی را که در طول سال‌های گذشته با هم کار کرده‌ایم ترکیب کرده‌ایم. دیدن این که می‌توانید این کارها را با منابع موجود امروزی انجام دهید، شگفت‌انگیز است.
میانبر از طریق پروفایل های دما
در یک ماده کوانتومی، ذرات می توانند کم و بیش به شدت در هم تنیده شوند. اندازه گیری بر روی یک ذره به شدت درهم تنیده تنها نتایج تصادفی به دست می دهد. اگر نتایج اندازه‌گیری‌ها بسیار نوسان داشته باشد – یعنی اگر کاملاً تصادفی باشند – دانشمندان از آن به عنوان “گرم” یاد می‌کنند. اگر احتمال یک نتیجه خاص افزایش یابد، یک شی کوانتومی “سرد” است. فقط اندازه گیری تمام اجسام درهم تنیده وضعیت دقیق را نشان می دهد.
در سیستم های متشکل از ذرات بسیار زیاد، تلاش برای اندازه گیری به شدت افزایش می یابد. تئوری میدان کوانتومی پیش‌بینی کرده است که می‌توان به مناطق فرعی سیستمی از ذرات درهم تنیده، یک پروفایل دما اختصاص داد. از این پروفیل ها می توان برای بدست آوردن درجه درهم تنیدگی ذرات استفاده کرد.
در شبیه‌ساز کوانتومی اینسبروک، این پروفایل‌های دما از طریق یک حلقه بازخورد بین رایانه و سیستم کوانتومی تعیین می‌شوند، با رایانه که دائماً پروفایل‌های جدیدی تولید می‌کند و آنها را با اندازه‌گیری‌های واقعی در آزمایش مقایسه می‌کند.پروفیل های دمایی به دست آمده توسط محققان نشان می دهد که ذراتی که به شدت با محیط برهم کنش دارند «گرم» و آن هایی که برهمکنش کمی دارند «سرد» هستند.
کوکیل می گوید: «این دقیقاً مطابق با انتظارات است که درهم تنیدگی به ویژه در جایی که برهمکنش بین ذرات قوی است، زیاد است.
زولر می‌گوید: “روش‌هایی که ما توسعه داده‌ایم ابزار قدرتمندی برای مطالعه درهم‌تنیدگی در مقیاس بزرگ در ماده کوانتومی همبسته فراهم می‌کنند. این دریچه‌ای را برای مطالعه کلاس جدیدی از پدیده‌های فیزیکی با شبیه‌سازهای کوانتومی که امروزه در دسترس هستند، باز می‌کند.”
با رایانه های کلاسیک، دیگر نمی توان چنین شبیه سازی هایی را با تلاش معقول محاسبه کرد. روش‌های توسعه‌یافته در اینسبروک نیز برای آزمایش تئوری جدید در چنین پلت‌فرم‌هایی مورد استفاده قرار خواهند گرفت.
