Число Фишера против хаоса: как ученые взвесили квантовую запутанность в металле

Представьте, что частицы в твердом теле — это не просто соседи по общежитию, а сиамские близнецы, которые чувствуют друг друга на расстоянии. Физики называют это квантовой запутанностью. Долгое время мы могли лишь догадываться, сколько таких "связей" прячется внутри куска металла или кристалла. Но группа исследователей из Лос-Аламоса во главе с Алленом Шейе совершила прорыв: они нашли способ буквально "взвесить" запутанность в твердых телах. Это как если бы вы научились определять количество влюбленных пар в многотысячной толпе, просто просветив её рентгеном.

Нейтронный "рентген" для квантовых тайн

Раньше запутанность была капризной игрушкой: учёные легко проверяли её в лабораторных тестах Белла для пары фотонов или в стерильных недрах квантовых процессоров. Но стоило подойти к реальному материалу, как математика превращалась в кошмар. Группа Аллена Шейе потратила пять лет, чтобы упростить эту задачу до элегантного эксперимента. Они решили использовать нейтроны — тяжелые частицы, которые легко прошивают материю, как пули бумагу, но при этом "замечают" магнитные моменты электронов.

"Измерение состояний в твердом теле — это всегда битва с шумом. Использование нейтронов как зондов позволяет заглянуть внутрь структуры, не разрушая хрупкие квантовые корреляции", — объяснил в беседе с Pravda. Ru ученый-физик Дмитрий Лапшин.

Метод работает безотказно: образец обстреливают потоком нейтронов, а детекторы фиксируют, как изменились их свойства после "свидания" с материалом. Этот подход оказался жизнеспособным даже для несовершенных образцов с примесями, что делает его применимым в реальной инженерии, а не только в стерильных докладах физиков-теоретиков США.

Число Фишера: как измерить невидимое

Главным ключом к разгадке стала квантовая информация Фишера (QFI). Это магическое число, которое показывает нижний порог запутанности. Если QFI выше определенной планки, значит, частицы внутри материала гарантированно "общаются" друг с другом на квантовом уровне. Ученые проверили теорию на кристалле из калия, меди и фтора. Результаты совпали с компьютерным моделированием настолько идеально, что скептикам пришлось замолчать.

Как и в истории с полетом Гагарина, где за внешним триумфом скрывались сложнейшие баллистические расчеты, здесь за простым числом QFI стоит титаническая работа по очистке данных от помех. Понтус Лорелл из Университета Миссури подчеркнул, что их команда стала первой, кто превратил абстрактную формулу в универсальный инструмент для любого физика-экспериментатора.

"Важно понимать, что запутанность в металле — это не просто теоретический курьез. Это база для создания новых материалов с аномальной проводимостью", — отметил в беседе с Pravda. Ru преподаватель естественных наук Кирилл Афонин.

От кристаллов к квантовым компьютерам

Зачем нам вообще знать, насколько запутан кусок меди? Всё просто: это прямой путь к созданию сверхэффективных систем хранения и передачи данных. Без понимания уровня запутанности невозможно построить по-настоящему мощный квантовый компьютер. Это напоминает попытку освоения Луны: сначала нужно понять состав грунта, а потом строить базу.

Следующий шаг команды Шейе — изучение фазовых переходов. Это моменты, когда материал меняет свои свойства, подобно тому как вода превращается в лед. Физики подозревают, что в этой "точке невозврата" запутанность должна резко возрастать. Если это подтвердится, нас ждет новая эра в понимании фундаментальной структуры Вселенной — от микромира электронов до макрообъектов, которыми управляет тектоника и гравитация.

"Любое новое устройство начинается с понимания того, как движутся его мельчайшие шестеренки. В квантовом мире этими шестеренками является информация Фишера", — рассказал в беседе с Pravda. Ru инженер по информационной безопасности Максим Петров.

Исследование уже представили на Глобальном физическом саммите в Денвере. Ученые не собираются останавливаться: через месяц они начнут тесты материалов в экстремальных условиях фазовых превращений. Это может стать таким же важным открытием, как обнаружение воды в недрах планеты, меняющим наше представление о границах возможного в материаловедении.

Ответы на популярные вопросы о квантовой запутанности

Зачем измерять запутанность в обычных твердых телах?

Это необходимо для поиска материалов, которые могут стать основой для квантовых технологий будущего, таких как сверхбыстрая связь и сенсоры нового поколения.

Как нейтроны помогают увидеть квантовую связь?

Нейтроны обладают магнитным моментом. Пролетая через материал, они взаимодействуют с электронами и "считывают" их квантовое состояние, принося эту информацию детектору.

Можно ли применить этот метод к любому материалу?

Да, в этом уникальность метода. Он работает даже с "грязными" образцами и материалами, для которых еще нет точного математического описания.

Поможет ли это в кибербезопасности?

Безусловно. Глубокое понимание запутанности позволит создавать абсолютно защищенные каналы связи, как те, о которых мы мечтали в текстах про секретные коды космонавтов.

Читайте также

• Самая высокая точка планеты скрывает древнюю жизнь: на вершине нашли следы исчезнувшего мира
• Океан нагрелся — и начал захватывать сушу: скрытый механизм уже меняет карту мира
• Майя не исчезли — они ушли: раскопки вскрыли правду, о которой молчали века
• Дорога к опустошению: чем может закончится для человечества бесконечный рост численности