Загадочное явление квантовой запутанности, которое Альберт Эйнштейн назвал «жутким действием на расстоянии», наконец-то поддается визуализации благодаря новаторскому алгоритму, разработанному физиками. Эта революционная технология, получившая название «микроскопия запутанности», позволяет ученым заглянуть в микроскопические глубины сложных квантовых систем и увидеть запутанность частиц собственными глазами.
Квантовая запутанность, лежащая в основе передовых технологий, таких как квантовые компьютеры и квантовая криптография, представляет собой глубокую связь между частицами, сохраняющуюся даже на огромных расстояниях. Представьте себе бросание двух игральных костей в разных концах света, где результат одной мгновенно определяет результат другой. Именно эта мистическая взаимосвязь, долгое время остававшаяся невидимой, теперь может быть исследована с беспрецедентной детализацией.
Команда исследователей из физического факультета Гонконгского университета (HKU) в сотрудничестве с учеными из Монреальского университета создала уникальный алгоритм, открывающий новую эру в понимании квантовой материи. «Микроскопия запутанности» – это прорыв в квантовой физике, позволяющий визуализировать и картировать квантовую запутанность на микроскопическом уровне.
В основе нового алгоритма лежит масштабное квантовое моделирование Монте-Карло. Этот метод позволяет извлекать информацию о квантовой запутанности в мельчайших областях квантовых систем, раскрывая, как частицы взаимодействуют и упорядочиваются, особенно вблизи критических точек квантовых фазовых переходов. Это дает бесценные данные о природе квантовых состояний вещества.
Ведущую роль в исследовании сыграл профессор Цзы Ян Мэн из HKU, а также аспиранты Тин-Тун Ван и Мэнхан Сонг, выступившие в качестве соавторов. Коллаборацию с Монреальским университетом возглавили профессор Уильям Витчак-Кремпа и аспирант Люке Лю. Их совместные усилия привели к созданию инструмента, способного преодолеть вычислительные трудности, связанные с экспоненциально большим числом степеней свободы в квантовых системах многих тел.
Результаты этого новаторского исследования были опубликованы в авторитетном журнале Nature Communications в 2025 году, 23 января. Статья под названием «Микроскопия и томография запутанности в системах многих тел» (DOI: 10.1038/s41467-024-55354-z), написанная Тин-Тун Ваном и другими соавторами, демонстрирует потенциал нового метода для глубокого анализа квантовой запутанности.
В ходе экспериментов ученые применили «микроскопию запутанности» к двум известным двумерным моделям: модели Изинга в поперечном поле и фермионной t-V модели. Исследование модели Изинга показало, что запутанность в ней носит кратковременный характер и подвержена «внезапной смерти» – резкому исчезновению с увеличением расстояния или изменением температуры. Также было обнаружено отсутствие трехчастичной запутанности в двумерных переходах Изинга, в отличие от одномерных систем.
В то же время, фермионная t-V модель, реализующая переход Гросса-Невё-Юкивы фермионов Дирака, продемонстрировала более постепенное снижение запутанности даже при больших расстояниях. Эти результаты подчеркивают значительное влияние размерности системы на поведение запутанности.
Исследование выявило, что в системах низкой размерности, таких как одномерная модель Изинга, многочастичная запутанность более вероятна, подобно небольшим социальным группам, где связи более тесные. В системах высокой размерности, как двумерная модель Изинга, запутанность подавляется, аналогично большим социальным сетям, где сложные связи менее распространены.
Разработка «микроскопии запутанности» открывает новые горизонты для развития квантовых технологий. Она может быть использована для оптимизации аппаратного и программного обеспечения квантовых компьютеров, а также для ускорения решения сложных задач в криптографии и искусственном интеллекте. Кроме того, метод позволяет создавать квантовые материалы нового поколения с улучшенными свойствами для энергетики, электроники и сверхпроводимости.
Этот прорыв в фундаментальной физике также способствует более глубокому пониманию квантовых явлений и совершенствованию квантового моделирования в химии и биологии. «Микроскопия запутанности» обещает стать мощным инструментом для исследования квантового мира и приближения эры квантовых технологий.
Изображение носит иллюстративный характер
Квантовая запутанность, лежащая в основе передовых технологий, таких как квантовые компьютеры и квантовая криптография, представляет собой глубокую связь между частицами, сохраняющуюся даже на огромных расстояниях. Представьте себе бросание двух игральных костей в разных концах света, где результат одной мгновенно определяет результат другой. Именно эта мистическая взаимосвязь, долгое время остававшаяся невидимой, теперь может быть исследована с беспрецедентной детализацией.
Команда исследователей из физического факультета Гонконгского университета (HKU) в сотрудничестве с учеными из Монреальского университета создала уникальный алгоритм, открывающий новую эру в понимании квантовой материи. «Микроскопия запутанности» – это прорыв в квантовой физике, позволяющий визуализировать и картировать квантовую запутанность на микроскопическом уровне.
В основе нового алгоритма лежит масштабное квантовое моделирование Монте-Карло. Этот метод позволяет извлекать информацию о квантовой запутанности в мельчайших областях квантовых систем, раскрывая, как частицы взаимодействуют и упорядочиваются, особенно вблизи критических точек квантовых фазовых переходов. Это дает бесценные данные о природе квантовых состояний вещества.
Ведущую роль в исследовании сыграл профессор Цзы Ян Мэн из HKU, а также аспиранты Тин-Тун Ван и Мэнхан Сонг, выступившие в качестве соавторов. Коллаборацию с Монреальским университетом возглавили профессор Уильям Витчак-Кремпа и аспирант Люке Лю. Их совместные усилия привели к созданию инструмента, способного преодолеть вычислительные трудности, связанные с экспоненциально большим числом степеней свободы в квантовых системах многих тел.
Результаты этого новаторского исследования были опубликованы в авторитетном журнале Nature Communications в 2025 году, 23 января. Статья под названием «Микроскопия и томография запутанности в системах многих тел» (DOI: 10.1038/s41467-024-55354-z), написанная Тин-Тун Ваном и другими соавторами, демонстрирует потенциал нового метода для глубокого анализа квантовой запутанности.
В ходе экспериментов ученые применили «микроскопию запутанности» к двум известным двумерным моделям: модели Изинга в поперечном поле и фермионной t-V модели. Исследование модели Изинга показало, что запутанность в ней носит кратковременный характер и подвержена «внезапной смерти» – резкому исчезновению с увеличением расстояния или изменением температуры. Также было обнаружено отсутствие трехчастичной запутанности в двумерных переходах Изинга, в отличие от одномерных систем.
В то же время, фермионная t-V модель, реализующая переход Гросса-Невё-Юкивы фермионов Дирака, продемонстрировала более постепенное снижение запутанности даже при больших расстояниях. Эти результаты подчеркивают значительное влияние размерности системы на поведение запутанности.
Исследование выявило, что в системах низкой размерности, таких как одномерная модель Изинга, многочастичная запутанность более вероятна, подобно небольшим социальным группам, где связи более тесные. В системах высокой размерности, как двумерная модель Изинга, запутанность подавляется, аналогично большим социальным сетям, где сложные связи менее распространены.
Разработка «микроскопии запутанности» открывает новые горизонты для развития квантовых технологий. Она может быть использована для оптимизации аппаратного и программного обеспечения квантовых компьютеров, а также для ускорения решения сложных задач в криптографии и искусственном интеллекте. Кроме того, метод позволяет создавать квантовые материалы нового поколения с улучшенными свойствами для энергетики, электроники и сверхпроводимости.
Этот прорыв в фундаментальной физике также способствует более глубокому пониманию квантовых явлений и совершенствованию квантового моделирования в химии и биологии. «Микроскопия запутанности» обещает стать мощным инструментом для исследования квантового мира и приближения эры квантовых технологий.
