Запутанность, которая исчезает… но остаётся. Квантовая реальность окончательно сошла с ума

Физики из Лейбниц-Университета в Ганновере сделали неожиданное открытие в области квантовой теории, которое может изменить представления науки о природе запутанности частиц. Речь идёт о феномене, известном как квантовый эмбиззлмент — загадочном процессе, до недавнего времени считавшемся чисто гипотетическим.

Классическая квантовая запутанность давно стала символом странностей микромира. Она позволяет двум частицам оставаться взаимосвязанными, независимо от расстояния между ними: изменение одной тут же отражается на другой. Однако эмбиззлмент идёт дальше — в этом процессе одна часть квантовой системы незаметно «делится» запутанностью с другой, помогая ей изменить своё состояние. При этом сам «донор» не теряет собственных свойств и остаётся неизменным.

Учёные объясняют суть явления с помощью простой аналогии. Представьте себе огромный пляж и песочный замок. Чтобы построить его, вы берёте с берега несколько песчинок, но общий вид прибрежной линии никак не меняется — будто никто к песку и не прикасался.

До последнего времени считалось, что для такого «волшебного» эффекта необходима настолько совершенная степень запутанности, что её существование в реальном мире выглядело маловероятным. Всё это воспринималось как изящный теоретический приём, не имеющий отношения к наблюдаемой физике.

Теперь, после ганноверского эксперимента, стало ясно: квантовый эмбиззлмент возможен не только на уровне абстрактных моделей. Учёные продемонстрировали, что подобный эффект может проявляться в реальных физических системах. В качестве объекта исследования они выбрали так называемые критические фермионные цепочки — одномерные образования из фермионов, к числу которых относятся, например, электроны.

Эти структуры представляют собой крайне нестабильное состояние вещества, возникающее на границе двух фаз. Именно в такие моменты материал становится особо чувствительным к внешнему воздействию и проявляет дальнодействующие квантовые корреляции.

За счёт этой особенности фермионные цепочки демонстрируют запутанность, распространяющуюся на расстояния, значительно превышающие те, что обычно наблюдаются в подобных условиях. Благодаря такому поведению они стали удобной платформой для проверки гипотезы об эмбиззлменте.

Вместо того чтобы ограничиться компактными и относительно простыми по устройству системами, исследователи сразу обратились к структурам, приближённым к бесконечным по числу частиц. Такой подход, известный как термодинамический предел, позволяет выявлять фундаментальные закономерности, не зависящие от конкретных размеров объекта.

Учёные разделили цепочку на две половины и измерили степень их взаимного запутывания. Оказалось, что связь между ними настолько велика, что соответствует строгим математическим критериям универсального эмбиззлмента, сформулированным ранее.

Главная особенность заключается в способности сложных квантовых объектов незаметно подпитывать запутанность других систем, причём собственное состояние при этом практически не меняется.

Примечательно, что подобный эффект сохраняется не только в теоретических бесконечных структурах. Эксперименты с достаточно крупными, но конечными по числу частиц цепочками показали, что эмбиззлмент возможен и в них. Такие объекты вполне могут быть созданы в лабораторных условиях.

По мнению авторов работы, открытие открывает перспективы для развития новых методов передачи информации в квантовых вычислительных системах . Кроме того, изучение эмбиззлмента может способствовать улучшению технологий моделирования сложных квантовых материалов или даже привести к открытию ранее неизвестных состояний вещества.

Пока это остаётся на уровне теоретических концепций. Как подчёркивает один из авторов исследования, физик Лауриц ван Люйк, работа лишь подтверждает, что критические фермионные цепочки обладают свойством эмбиззлмента, но не даёт прямого способа использовать это на практике.

Сейчас команда сосредоточена на разработке протоколов с применением гауссовых операций — типа квантовых манипуляций, которые считаются наиболее подходящими для реализации с помощью современных технологий. Исследователи рассчитывают, что именно эти методы помогут перенести эмбиззлмент из теории в реальную экспериментальную плоскость.