Un témoin clé aide les scientifiques à découvrir un enchevêtrement quantique «effrayant» dans les solides

L’intrication quantique se produit lorsque deux particules semblent communiquer sans contact physique, un phénomène qu’Albert Einstein a appelé « action effrayante à distance ». Près de 90 ans plus tard, une équipe dirigée par le laboratoire national d’Oak Ridge du département américain de l’Énergie a démontré la faisabilité d’un « témoin d’intrication quantique » capable de démontrer l’existence d’une intrication entre des particules magnétiques, ou de spin, dans un matériau quantique.

L’équipe – qui comprend des chercheurs de l’ORNL, du Helmholtz-Zentrum Berlin, de l’Université technique de Berlin, de l’Institut Laue-Langevin, de l’Université d’Oxford et de l’Université Adam Mickiewicz – a testé trois témoins pour leur implication en utilisant une combinaison de neutron Expériences de dispersion et simulations informatiques. Les témoins d’intrication sont des techniques qui agissent comme des outils d’analyse de données pour identifier les cycles qui franchissent le seuil entre les mondes classique et quantique.

Introduit pour la première fois par Jon Stewart Bell dans les années 1960, les témoins de l’enchevêtrement ont confirmé que Théorie des quanta D’autres chercheurs ont mis en doute que c’était vrai. La technique de Bell reposait sur la détection d’une seule paire de particules à la fois, mais cette approche n’est pas utile pour étudier les solides constitués de milliards et de milliards de milliards de particules. En ciblant et en découvrant de grands ensembles de cycles intriqués à l’aide de nouveaux témoins d’intrication, l’équipe a étendu ce concept pour caractériser solides Une étude du comportement étrange dans les supraconducteurs et les aimants quantiques.

Pour s’assurer que les témoins pouvaient être dignes de confiance, l’équipe a appliqué les trois à un matériau dont ils savaient qu’il était enchevêtré en raison d’une étude précédente de la dynamique de rotation. Deux témoins, basés sur l’approche de Bell, ont suffisamment indiqué l’existence d’un enchevêtrement de chaînes de spin unidimensionnel – une ligne droite de spins adjacents communiquant avec leurs voisins tout en ignorant les autres particules – mais le troisième, qui est basé sur la théorie de l’information quantique, a été exceptionnellement réussi dans la même tâche. .

a déclaré Allen Shi, chercheur postdoctoral à l’ORNL et auteur principal de l’article de preuve de concept de l’équipe publié dans examen physique b.

Étant donné que les fluctuations d’une substance qui apparaît de nature quantique peuvent être causées par un mouvement thermique aléatoire, qui ne disparaît qu’au zéro absolu sur l’échelle de température, la plupart des méthodes modernes ne peuvent pas faire la distinction entre ces fausses alarmes et l’activité quantique réelle. Non seulement l’équipe a confirmé la prédiction théorique selon laquelle l’enchevêtrement augmente avec la diminution de la température, mais elle a également réussi à différencier l’activité classique de l’activité quantique dans le cadre de la démonstration la plus complète de QFI depuis que la technologie a été proposée en 2016.

« Les matériaux les plus intéressants sont pleins d’intrication quantique, mais ce sont précisément ceux qui sont les plus difficiles à calculer », a déclaré Alan Tennant, scientifique en diffusion de neutrons à l’ORNL, qui dirige un projet axé sur les aimants quantiques pour la science quantique. Centre, ou QSC. , qui est le Centre national de recherche en sciences de l’information quantique du ministère de l’Énergie, dont le siège est à l’ORNL.

Auparavant, le défi de l’identification rapide des matériaux quantiques était un obstacle majeur à la mission du centre, qui comprend l’exploitation de l’intrication pour développer de nouveaux dispositifs et capteurs tout en développant le domaine de la science de l’information quantique. La rationalisation de ce processus avec QFI permet aux chercheurs de QSC de se concentrer sur l’exploitation de la résistance de matériaux tels que les phases rares de la matière appelées fluides de spin quantique et les matériaux électriquement irrésistibles appelés supraconducteurs. stockage de données et les applications informatiques.

« La force de QFI vient de son association avec la métrologie quantique, où les scientifiques connectent plusieurs quasiparticules pour réduire l’incertitude et obtenir des mesures très précises », a déclaré Scheie. « Le QFI Witness reflète cette approche en utilisant la précision de la mesure actuelle pour déterminer le nombre minimum de particules intriquées à chaque spin. C’est une méthode puissante pour détecter les interactions quantiques, ce qui signifie que QFI est vraiment applicable à tout matériau magnétique quantique. « 

Après avoir démontré que QFI peut classer correctement les matériaux, l’équipe a testé une deuxième série de spins unidimensionnels, un matériau plus complexe caractérisé par l’anisotropie, une propriété qui fait que les spins se trouvent dans un plan plutôt que de tourner de manière aléatoire. Les chercheurs ont appliqué un champ magnétique à la chaîne de spin et observé la transmission de l’enchevêtrement, la quantité d’enchevêtrement étant tombée à zéro avant de réapparaître. Ils ont publié ce résultat dans messages d’examen physique.

Pour obtenir ces résultats, les chercheurs ont étudié les deux chaînes de spin à l’aide de la diffusion de neutrons, puis ont analysé d’anciennes données d’expériences vieilles de plusieurs décennies à la source de neutrons ISIS en Angleterre et à l’Institut Laue-Langevin en France ainsi que de nouvelles données provenant d’un hélicoptère à grande échelle. Le spectromètre est situé à la Spallation Neutron Source, une installation utilisateur du DOE Office of Science exploitée par ORNL. Ils ont également effectué des simulations complémentaires pour valider les résultats par rapport aux données théoriques idéales.

Les neutrons, que Tennant décrit comme « beaucoup de simplicité », sont un outil idéal pour examiner les propriétés d’une substance en raison de leur charge neutre et de leur nature non destructive.

« En étudiant la distribution des neutrons diffusés à partir d’un échantillon, qui transmet de l’énergie, nous avons pu utiliser les neutrons comme métrique pour mesurer l’intrication quantique sans compter sur des théories et sans avoir besoin d’ordinateurs quantiques massifs qui n’existent pas encore », a déclaré Tennant. mentionné.

Selon l’équipe, cette combinaison de ressources informatiques et expérimentales avancées a fourni des réponses sur la nature de Intrication quantique Initialement demandé par les fondateurs de la mécanique quantique. Scheie prévoit que les calculs QFI feront probablement partie de la procédure standard de neutron Des expériences de diffusion qui peuvent enfin caractériser même les matériaux quantiques les plus énigmatiques.