Het onderzoekslaboratorium van het Amerikaanse leger en zijn partners hebben een doorbraak bereikt in het begrijpen van de structuur van verstrengeling in kwantumsystemen met langeafstandsinteracties.

verstrikking, onderzoekers zeggen, is een cruciale hulpbron die kan worden gebruikt voor ultraveilige communicatie, "fantastisch nauwkeurige" meting, prachtige klokken en andere tijdwaarneming, evenals computers met ongekende kracht.

Kwantummechanica, of de natuurkundige theorie die de microscopische wereld beheerst, voorspelt veel vreemd en contra-intuïtief gedrag, zei ARL-fysicus Dr. Michael Foss-Feig. "Hoe vreemd dit gedrag ook lijkt, er is weinig twijfel dat ze echt zijn. Gedurende de 20e eeuw, de voorspellingen van de kwantummechanica zijn getest en geverifieerd in veel experimenten op microscopische systemen, zoals individuele atomen."

Foss-Feig merkte op dat aan het begin van de 21e eeuw, een van de meest opwindende grenzen in de kwantumfysica is om dit vreemde gedrag zo volledig te beheersen dat het uit macroscopische systemen kan worden geplaagd, bijvoorbeeld ultrakoude gassen die miljoenen atomen bevatten. Hij zei dat als dit kan worden bereikt, een meevaller aan DOD-relevante toepassingen zal volgen.

Het laboratorium werkte samen met het Joint Quantum Institute en Caltech. Hun doorbraak hing af van het begrijpen van een vreemd gedrag dat bekend staat als kwantumverstrengeling.

In de klassieke natuurkunde het beschrijven van de toestand van twee objecten is niet veel moeilijker dan het beschrijven van de toestand van één object. "Bijvoorbeeld, als jij en ik elk een gloeilamp hebben en we willen ze allebei beschrijven, we zouden kunnen zeggen 'de mijne is aan, en de jouwe is uit', en dat zou de zaak oplossen. Maar als deze gloeilampen verstrengeld zijn, dan kan van geen van beide worden gezegd dat het aan of uit is, en in zekere zin kan elk tegelijkertijd zowel aan als uit zijn, " legde hij uit. "In plaats van elke lamp een duidelijke status 'aan' of 'uit' toe te kennen, we moeten beschrijven hoe waarschijnlijk het is dat we elke mogelijke combinatie van 'aan' en 'uit' hebben."

In macroscopische systemen die uit veel kwantumobjecten bestaan, de gevolgen van verstrikking zijn ingrijpend, hij zei.

Hoewel de klassieke strategie voor het beschrijven van veel gloeilampen nog steeds eenvoudig is ("de eerste is aan, de volgende is uit..., de laatste is aan"), een verzameling verstrengelde gloeilampen moet worden beschreven door een waarschijnlijkheid toe te kennen aan elke mogelijke manier waarop de gloeilampen kunnen worden verlicht. Omdat het aantal manieren waarop veel bollen aan of uit kunnen staan ​​zeer snel (exponentieel) meegroeit met het aantal bollen, grote kwantumsystemen bevatten veel meer informatie dan klassieke systemen van vergelijkbare grootte. Deze vreemde waarneming speelt een cruciale rol in het vermogen van grote kwantumsystemen om moeilijke taken uit te voeren, maar het veroorzaakt ook grote moeilijkheden bij het beschrijven en voorspellen van hun gedrag.

Misschien is het diepste inzicht in verstrengeling dat in de afgelopen decennia is gemaakt, dat het voorbeeld van de gloeilamp vaak te naïef is.

"Er is in feite een vereenvoudigende structuur voor de verstrengelingspatronen die zich kunnen vormen in 'redelijke' fysieke systemen, zoals die waarin deeltjes alleen interageren over korte afstanden, " zei Foss-Feig. "Deze structuur, genaamd de 'gebiedswet', zegt dat verstrengeling een lokaal bezit is. Als resultaat, grote systemen - als ze zich aan de gebiedswet houden - zijn niet zo veel moeilijker te beschrijven dan kleine systemen. Deze structuur suggereert ook dat als we grote kwantumsystemen willen gebruiken als hulpmiddelen voor het uitvoeren van moeilijke taken, het kan helpen om ze (althans een beetje) 'onredelijk' te maken."

Foss-Feig zei dat een heel natuurlijke manier om dit te doen is om een ​​kwantumsysteem te voorzien van langeafstandsinteracties.

"Bijvoorbeeld, een gas van moleculen kan worden gepolariseerd door een elektrisch veld, zodat ze over lange afstanden interageren als kleine elektrische dipolen, " hij zei.

Maar hoe lang die interacties moeten zijn voordat een systeem zich losmaakt van de gebiedswet, is een moeilijke vraag die het gezamenlijke onderzoeksteam hoopt te beantwoorden.

In een recent artikel gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven , de onderzoekers zetten een belangrijke eerste stap in de richting van een antwoord door een wiskundig bewijs te leveren dat systemen met langeafstandsinteracties nog steeds voldoen aan de gebiedswet zolang de interacties niet te lange afstanden zijn. Dit werk helpt bij het vaststellen van de ongrijpbare lijn die kwantumsystemen onderscheidt die efficiënt kunnen worden beschreven van systemen die dat niet kunnen. In de toekomst, de auteurs hopen de structuur van dit bewijs te benutten om de minimale ingrediënten die nodig zijn om kwantumsystemen met meer (en complexere) verstrengeling te ontwikkelen, beter te begrijpen.