Quantenverschränkung – ein Phänomen, bei dem Teilchen auf mysteriöse Weise miteinander verbunden sind, egal wie weit sie voneinander entfernt sind – stellt in der physikalischen Welt seit langem eine Herausforderung dar, insbesondere beim Verständnis ihres Verhaltens innerhalb komplexer Quantensysteme.
Ein Forschungsteam der Fakultät für Physik der Universität Hongkong (HKU) und ihre Mitarbeiter haben kürzlich einen neuartigen Algorithmus in der Quantenphysik namens „Verschränkungsmikroskopie“ entwickelt, der die Visualisierung und Kartierung dieses außergewöhnlichen Phänomens auf mikroskopischer Ebene ermöglicht. Indem man die komplizierten Wechselwirkungen verschränkter Teilchen näher betrachtet, kann man die verborgenen Strukturen der Quantenmaterie aufdecken und Erkenntnisse gewinnen, die die Technologie verändern und das Verständnis des Universums vertiefen könnten.
Diese von Professor Zi Yang MENG geleitete und von seinen Doktoranden Ting-Tung WANG und Menghan SONG vom Fachbereich Physik der HKU in Zusammenarbeit mit Professor William WITCZAK-KREMPA und Doktorand Liuke LYU von der Universität Montreal gemeinsam verfasste Studie enthüllt das Ergebnis die verborgenen Strukturen der Quantenverschränkung in Vielteilchensystemen und bietet eine neue Perspektive auf das Verhalten von Quantenmaterie. Ihre Ergebnisse wurden kürzlich in der Zeitschrift veröffentlicht Naturkommunikation.
Ein Durchbruch bei der Kartierung der Quantenverschränkung
Quantenverschränkung beschreibt eine tiefe Verbindung zwischen Teilchen, bei der der Zustand eines Teilchens auch über große Entfernungen hinweg sofort mit dem Zustand eines anderen verknüpft ist. Stellen Sie sich vor, Sie werfen zwei Würfel an verschiedenen Orten – die Quantenverschränkung ist so, als ob Sie feststellen würden, dass das Ergebnis eines Würfels immer das Ergebnis des anderen bestimmt, egal wie weit sie voneinander entfernt sind. Dieses Phänomen, von Albert Einstein bekannt als „gruselige Fernwirkung“ bezeichnet, ist nicht nur eine theoretische Kuriosität, sondern bildet die Grundlage für Technologien wie Quantencomputer, Kryptographie und die Erforschung exotischer Materialien und Schwarzer Löcher. Allerdings ist es aufgrund der exponentiell großen Freiheitsgrade grundsätzlich schwierig, die Verschränkungsinformationen in Quanten-Vielteilchensystemen sowohl analytisch als auch numerisch zu erhalten.
Forscher haben sich dieser Herausforderung gestellt, indem sie „Verschränkungsmikroskopie“ entwickelt haben, ein innovatives Protokoll, das auf einer groß angelegten Quanten-Monte-Carlo-Simulation basiert und die Quantenverschränkungsinformationen in kleinen Bereichen von Quantensystemen erfolgreich extrahieren kann. Durch die Konzentration auf diese mikroskopischen Bereiche zeigt diese Methode, wie Teilchen auf komplizierte Weise interagieren und sich organisieren, insbesondere in der Nähe kritischer Punkte bei Quantenphasenübergängen – spezielle Zustände, in denen Quantensysteme tiefgreifende Verhaltensänderungen erfahren.
Ihre Erforschung konzentrierte sich auf zwei herausragende zweidimensionale Modelle: das Transversalfeld-Ising-Modell und das fermionische tV-Modell, das den Gross-Neveu-Yukawa-Übergang von Dirac-Fermionen realisiert, die jeweils faszinierende Einblicke in die Natur der Quantenverschränkung ermöglichen. Sie entdeckten, dass am quantenkritischen Punkt Ising die Verschränkung nur über kurze Entfernungen erfolgt, was bedeutet, dass Teilchen nur über kleine Entfernungen miteinander verbunden sind. Dieser Zusammenhang kann aufgrund von Abstands- oder Temperaturänderungen plötzlich verschwinden – ein Phänomen, das als „plötzlicher Tod“ bekannt ist. Im Gegensatz dazu ergab ihre Untersuchung des fermionischen Übergangs einen allmählicheren Rückgang der Verschränkung selbst bei größeren Abständen, was darauf hindeutet, dass Teilchen trotz großer Entfernung Verbindungen aufrechterhalten können.
Interessanterweise entdeckte das Team, dass in zweidimensionalen Ising-Übergängen keine Dreiparteienverschränkung vorlag, in eindimensionalen Systemen sie jedoch vorhanden war. Dies impliziert, dass die Systemdimensionalität das Verschränkungsverhalten erheblich beeinflusst. Vereinfacht gesagt ähneln niedrigdimensionale Systeme einer kleinen Gruppe von Freunden, bei denen tiefe Verbindungen (komplexe Mehrteilchenverschränkung) wahrscheinlicher sind. Umgekehrt unterdrücken hochdimensionale Systeme, vergleichbar mit größeren, komplexeren sozialen Netzwerken, solche Verbindungen häufig. Diese Ergebnisse liefern wichtige Erkenntnisse darüber, wie sich die Verschränkungsstruktur mit zunehmender Systemkomplexität verändert.
Anwendungen und Auswirkungen
Dieser Durchbruch hat erhebliche Auswirkungen auf die Weiterentwicklung der Quantentechnologien. Durch ein klareres Verständnis der Verschränkung könnte es dazu beitragen, Quantencomputer-Hardware und -Algorithmen zu optimieren und so eine schnellere Problemlösung in Bereichen wie Kryptographie und künstlicher Intelligenz zu ermöglichen. Es öffnet auch die Tür für die Entwicklung von Quantenmaterialien der nächsten Generation mit Anwendungen in den Bereichen Energie, Elektronik und Supraleitung. Darüber hinaus könnte dieses Tool unser Verständnis der Grundlagenphysik vertiefen und Quantensimulationen in Chemie und Biologie verbessern.
