Заплитането, което избледнява, но остава – квантовата реалност окончателно полудя

Физици от Университета Лайбниц в Хановер са направили неочаквано откритие в областта на квантовата теория, което може да промени представите за природата на заплитането на частиците. Става дума за явлението, известно като квантово присвояване – загадъчен процес, доскоро смятан за чисто хипотетичен.

Класическото квантово заплитане отдавна е символ на странностите на микрокосмоса. То позволява на две частици да останат свързани помежду си, независимо от разстоянието между тях: промяна в едната веднага се отразява в другата. Присвояване обаче отива по-далеч – при този процес една система незабележимо „споделя“ своето заплитане с друга, като ѝ помага да промени квантовото си състояние. В същото време донорът не губи собствените си свойства и остава непроменен.

За по-голяма яснота учените сравняват присвояването с тихо заемане на пясък от огромен плаж. Представете си, че строите замък, като вземете малко пясък, но самата брегова линия остава недокосната – сякаш никой не е пипал нищо.

Доскоро се смяташе, че подобен „магически“ ефект изисква толкова съвършено заплитане, че съществуването му в реалния свят изглеждаше съмнително. Всичко това се разглеждаше като елегантен теоретичен трик, който няма отношение към наблюдаемата физика.

Неотдавнашно изследване на екип от Германия обаче за първи път показа, че заплитането може да се случи и в конкретни физически системи, а не само на страниците на учебниците. Учените се фокусират върху критичните фермионни вериги – едноизмерни структури от фермиони, фундаментални частици като електроните. Тези вериги се намират на тънката граница на фазов преход – състояние, при което даден материал балансира между две различни фази. Именно при тези условия системата става особено чувствителна и проявява ефекта на квантова корелация на дълги разстояния.

На този етап веригите имат уникални свойства. В структурата им се наблюдава заплитане, което се разпростира на много по-големи разстояния, отколкото обикновено се наблюдава в такива системи. Именно тази особеност прави критичните фермионни вериги идеален кандидат за тестване на теорията на заплитането.

Учените не се ограничават само с изучаването на малки модели, които са най-лесни за изследване. Вместо това те веднага се насочили към системи, чийто брой частици се приближава до безкрайност – така наречената термодинамична граница. При този подход броят на елементите в структурата клони към безкрайност, което им позволява да идентифицират фундаментални модели, които не зависят от размера.

В рамките на експеримента изследователите разделят фермионната верига на лява и дясна част и внимателно анализират степента на заплитане между тях. Оказало се, че тези половини проявяват толкова висока степен на заплитане, че отговарят на строгите критерии за универсално заплитане, формулирани от групата по-рано.

Същността на това явление се състои в това, че системата може да спомогне за формирането на всякакви заплетени състояния в други обекти, а не само на конкретни предварително зададени конфигурации. Нещо повече, системата донор остава практически незасегната, сякаш процесът консумира нейните ресурси, без да оставя следи.

Особено внимание заслужава фактът, че изследователите успяха да демонстрират, че квантовото присвояване не е уникално свойство на безкрайните системи. Когато учените преминаха към анализ на големи, но крайни по размер фермионни вериги, признаците на ефекта се запазиха. Такива структури могат да бъдат създадени и в лабораторни условия.

С други думи, квантовото присвояване не е абстрактен математически куриоз, а явление, което може да се прояви в реални физически материали при определени условия. Това заключение променя установените представи за това колко гъвкава и многостранна може да бъде природата на заплитането.

Според авторите на работата резултатите от изследването позволяват да се надяваме на появата на нови начини за предаване на информация в квантовите компютърни системи. Освен това подобни ефекти могат да бъдат ключът към усъвършенстване на методите за моделиране на сложни квантови материали или дори към откриването на неизвестни досега състояния на материята.

Засега обаче всичко това остава на ниво теоретични модели. Както подчертава един от авторите на работата, физикът Лауриц ван Луик, изследването само демонстрира, че критичните фермионни вериги са способни на присвояване, но не предлага готов начин за използване на този ефект на практика.