Een team van natuurkundigen van ICTP-Trieste en IQOQI-Innsbruck is met een verrassend eenvoudig idee gekomen om de kwantumverstrengeling van veel deeltjes te onderzoeken. In plaats van diep in de eigenschappen van kwantumgolffuncties te graven, die notoir moeilijk experimenteel toegankelijk zijn, ze stellen voor om fysieke systemen te realiseren die worden bestuurd door de overeenkomstige verstrengeling Hamiltonianen. Door het zo te doen, verstrengelingseigenschappen van het oorspronkelijke probleem van belang worden toegankelijk via gevestigde tools.

Kwantumverstrengeling vormt het hart van de tweede kwantumrevolutie:het is een sleutelkenmerk dat wordt gebruikt om vormen van kwantummaterie te begrijpen, en een belangrijke bron voor huidige en toekomstige kwantumtechnologieën. fysiek, verstrengelde deeltjes kunnen niet worden beschreven als individuele deeltjes met gedefinieerde toestanden, maar alleen als een enkel systeem. Zelfs wanneer de deeltjes over een grote afstand van elkaar zijn gescheiden, veranderingen in het ene deeltje hebben ook onmiddellijk invloed op het (de) andere deeltje(s). De verstrengeling van individuele deeltjes - of het nu gaat om fotonen, atomen of moleculen - maakt tegenwoordig deel uit van het dagelijks leven in het laboratorium. In de veellichamenfysica na het pionierswerk van Li en Haldane, verstrengeling wordt typisch gekenmerkt door het zogenaamde verstrengelingsspectrum:het is in staat om essentiële kenmerken van collectieve kwantumverschijnselen vast te leggen, zoals topologische volgorde, en op hetzelfde moment, het maakt het mogelijk om de 'kwantumheid' van een bepaalde toestand te kwantificeren - dat wil zeggen, hoe uitdagend het is om het gewoon op een klassieke computer te schrijven.

Ondanks het belang ervan, de experimentele methoden om het verstrengelingsspectrum te meten bereiken snel hun grenzen - tot vandaag, deze spectra zijn slechts in enkele qubits-systemen gemeten. Met een toenemend aantal deeltjes, deze inspanning wordt hopeloos naarmate de complexiteit van de huidige technieken exponentieel toeneemt.

"Vandaag, het is erg moeilijk om een ​​experiment uit te voeren dat verder gaat dan een paar deeltjes waarmee we concrete uitspraken kunnen doen over verstrengelingsspectra, " legt Marcello Dalmonte van het International Centre for Theoretical Physics (ICTP) in Triëst uit, Italië. Samen met Peter Zoller en Benoît Vermersch van de Universiteit van Innsbruck, hij heeft nu een verrassend eenvoudige manier gevonden om kwantumverstrengeling direct te onderzoeken. De natuurkundigen zetten het begrip kwantumsimulatie op zijn kop door een bepaald fysiek systeem niet meer te simuleren in de kwantumsimulator, maar direct simuleren van de verstrengeling Hamiltoniaanse operator, waarvan het spectrum van excitaties onmiddellijk betrekking heeft op het verstrengelingsspectrum.

"In plaats van een specifiek kwantumprobleem in het laboratorium te simuleren en vervolgens te proberen de verstrengelingseigenschappen te meten, we stellen voor om simpelweg de rollen om te draaien en direct de bijbehorende verstrengeling Hamiltoniaan te realiseren, die onmiddellijke en eenvoudige toegang geeft tot verstrengelingseigenschappen, zoals het verstrengelingsspectrum, " legt Marcello Dalmonte uit. "Het onderzoeken van deze operator in het laboratorium is conceptueel en praktisch net zo eenvoudig als het onderzoeken van conventionele veeldeeltjesspectra, een gevestigde laboratoriumroutine."

Verder, er zijn nauwelijks grenzen aan deze methode met betrekking tot de grootte van het kwantumsysteem. Dit zou ook het onderzoek van verstrengelingsspectra in veeldeeltjessystemen mogelijk kunnen maken, die notoir uitdagend is om aan te pakken met klassieke computers. Dalmonte, Vermersch en Zoller beschrijven de radicaal nieuwe methode in een actueel artikel in Natuurfysica en de concrete realisatie ervan demonstreren op een aantal experimentele platforms, zoals atoomsystemen, ingesloten ionen en ook solid-state systemen op basis van supergeleidende kwantumbits.