Verstrengeling is een kwantumfenomeen waarbij de eigenschappen van twee of meer deeltjes zodanig met elkaar verbonden raken dat men niet langer aan elk individueel deeltje een definitieve toestand kan toekennen. In plaats daarvan moeten we alle deeltjes in één keer beschouwen die een bepaalde toestand delen. De verstrengeling van de deeltjes bepaalt uiteindelijk de eigenschappen van een materiaal.

"Verstrengeling van veel deeltjes is het kenmerk dat het verschil maakt", zegt Christian Kokail, een van de eerste auteurs van het artikel gepubliceerd in Nature . "Tegelijkertijd is het echter heel moeilijk vast te stellen."

De onderzoekers onder leiding van Peter Zoller van de Universiteit van Innsbruck en het Instituut voor Quantum Optica en Quantum Informatie (IQOQI) van de Oostenrijkse Academie van Wetenschappen (ÖAW) bieden nu een nieuwe aanpak die de studie en het begrip van verstrengeling in kwantummaterialen aanzienlijk kan verbeteren .

Om grote kwantumsystemen te beschrijven en daaruit informatie te halen over de bestaande verstrengeling, zou je naïef een onmogelijk groot aantal metingen moeten uitvoeren. "We hebben een efficiëntere beschrijving ontwikkeld, waarmee we met drastisch minder metingen verstrengelingsinformatie uit het systeem kunnen halen", legt theoretisch natuurkundige Rick van Bijnen uit.

In een ionenvalkwantumsimulator met 51 deeltjes hebben de wetenschappers een echt materiaal nagebootst door het deeltje voor deeltje na te bootsen en het in een gecontroleerde laboratoriumomgeving te bestuderen. Zeer weinig onderzoeksgroepen wereldwijd hebben de noodzakelijke controle over zoveel deeltjes als de experimentele natuurkundigen uit Innsbruck onder leiding van Christian Roos en Rainer Blatt.

"De belangrijkste technische uitdaging waarmee we hier worden geconfronteerd, is hoe we lage foutenpercentages kunnen handhaven terwijl we 51 ionen die in onze val zitten, kunnen controleren en de haalbaarheid van individuele qubit-controle en uitlezing kunnen garanderen", legt experimentator Manoj Joshi uit.

Daarbij waren de wetenschappers voor het eerst getuige van effecten in het experiment die voorheen alleen theoretisch waren beschreven. “Hier hebben we kennis en methoden gecombineerd die we de afgelopen jaren nauwgezet hebben uitgewerkt. Het is indrukwekkend om te zien dat je deze dingen kunt doen met de middelen die vandaag de dag beschikbaar zijn”, zegt Kokail, die onlangs lid is geworden van het Institute for Theoretical Atomic Molecular and Optische natuurkunde aan Harvard.

Snelkoppeling via temperatuurprofielen

In een kwantummateriaal kunnen deeltjes min of meer sterk verstrengeld zijn. Metingen aan een sterk verstrengeld deeltje leveren slechts willekeurige resultaten op. Als de resultaten van de metingen erg fluctueren – d.w.z. als ze puur willekeurig zijn – noemen wetenschappers dit ‘hot’. Als de waarschijnlijkheid van een bepaald resultaat groter wordt, is er sprake van een ‘koud’ kwantumobject. Alleen de meting van alle verstrengelde objecten onthult de exacte staat.

In systemen die uit zeer veel deeltjes bestaan, neemt de inspanning voor de meting enorm toe. De kwantumveldentheorie heeft voorspeld dat aan subregio's van een systeem van veel verstrengelde deeltjes een temperatuurprofiel kan worden toegewezen. Deze profielen kunnen worden gebruikt om de mate van verstrengeling van de deeltjes af te leiden.

In de kwantumsimulator van Innsbruck worden deze temperatuurprofielen bepaald via een feedbackloop tussen een computer en het kwantumsysteem, waarbij de computer voortdurend nieuwe profielen genereert en deze vergelijkt met de daadwerkelijke metingen in het experiment.

Uit de door de onderzoekers verkregen temperatuurprofielen blijkt dat deeltjes die sterk interageren met de omgeving 'heet' zijn en deeltjes die weinig interactie hebben 'koud'.

“Dit komt precies overeen met de verwachting dat de verstrengeling bijzonder groot is daar waar de interactie tussen deeltjes sterk is”, zegt Kokail.

"De methoden die we hebben ontwikkeld bieden een krachtig hulpmiddel voor het bestuderen van grootschalige verstrengeling in gecorreleerde kwantummaterie. Dit opent de deur naar de studie van een nieuwe klasse van fysische verschijnselen met kwantumsimulators die vandaag al beschikbaar zijn", zegt Zoller. P>

"Met klassieke computers kunnen dergelijke simulaties niet langer met redelijke inspanning worden berekend." De in Innsbruck ontwikkelde methoden zullen ook worden gebruikt om nieuwe theorieën op dergelijke platforms te testen.

Meer informatie: Peter Zoller, Onderzoek naar grootschalige verstrengeling in kwantumsimulatie, Natuur (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06768-0. www.nature.com/articles/s41586-023-06768-0

Journaalinformatie: Natuur

Aangeboden door de Universiteit van Innsbruck