Учёные разработали новый метод визуализации квантовой запутанности, открывающий путь к совершенствованию квантовых технологий. Международная группа исследователей из Гонконгского университета и Монреальского университета представила алгоритм микроскопии на основе квантовой запутанности (entanglement microscopy), использующий явление квантовой запутанности фотонов для получения изображений с высоким разрешением, позволяющий наблюдать и картировать квантовую запутанность на микроскопическом уровне.

Квантовая запутанность представляет собой уникальное явление, при котором частицы остаются связанными независимо от расстояния между ними. Это явление лежит в основе квантовых вычислений, криптографии и изучения экзотических материалов.

Разработанный метод основан на крупномасштабном квантовом моделировании методом Монте-Карло и позволяет извлекать информацию о квантовой запутанности в малых областях квантовых систем. Исследователи сосредоточились на изучении двух важных двумерных моделей: модели Изинга в поперечном поле и фермионной t-V модели. Это математические инструменты, используемые физиками для изучения поведения частиц в материалах. Модель Изинга в поперечном поле описывает, как магнитные частицы (спины) взаимодействуют друг с другом и с внешним магнитным полем, помогая понять магнитные свойства веществ. Фермионная t-V модель, в свою очередь, описывает, как электроны (или другие частицы) перемещаются по кристаллической решётке и взаимодействуют друг с другом, что важно для понимания электрических свойств материалов. Обе модели помогают предсказывать и объяснять различные явления в материалах, такие как сверхпроводимость или необычные магнитные состояния.

Учёные обнаружили, что в критической точке квантового перехода Изинга запутанность является короткодействующей – частицы связаны только на небольших расстояниях. При этом связь может резко исчезать при изменении расстояния или температуры. В отличие от этого, при фермионном переходе наблюдается более постепенное убывание запутанности даже на больших расстояниях.

Исследования модели Изинга, которая описывает поведение частиц в материалах, показали интересное различие между одномерными и двумерными системами. В одномерных системах («цепочка частиц») наблюдается явление трёхчастичной запутанности – особой квантовой связи между тремя частицами. Однако в двумерных системах («сетка частиц») эта трёхчастичная запутанность отсутствует. Это открытие указывает на то, что размерность системы (находятся ли частицы на линии, плоскости или в объёме) существенно влияет на то, как частицы взаимодействуют и «запутываются» на квантовом уровне.

Открытие имеет важные последствия для развития квантовых технологий. Более глубокое понимание запутанности может помочь оптимизировать квантовые вычисления и алгоритмы, ускорить решение задач в криптографии и искусственном интеллекте. Кроме того, это открывает возможности для проектирования квантовых материалов нового поколения с применением в энергетике, электронике и сверхпроводимости.