En gång beskrevs kvantsammanflätning av Einstein som ”spooky action at a distance”, men kan nu verka mindre skrämmande mot bakgrund av nya forskningsresultat.
Fysiker vid Osaka Metropolitan University har utvecklat nya, enklare formler för att kvantifiera kvantförvirring i starkt korrelerade elektronsystem och tillämpat dem för att studera flera material i nanoskala. Deras resultat ger nya perspektiv på kvantbeteenden i material med olika fysiska egenskaper, vilket bidrar till framsteg inom kvantteknologier.
Studien är publicerad i Physical Review B.
Kvantsammanflätning är ett unikt fenomen där två partiklar, som en gång kopplats samman, förblir sammankopplade oavsett hur långt ifrån varandra de befinner sig i rymden. Denna grundläggande egenskap spelar en avgörande roll i nya teknologier som kvantdatorer och kvantkryptografi.
Även om betydande framsteg har gjorts när det gäller att förstå detta så kallade spöklika fenomen, är forskarna fortfarande insnärjda i dess krångligheter.
”Tidigare studier har till stor del fokuserat på de universella egenskaperna hos kvantsammanflätning i material som uppvisar magnetism eller supraledning”, säger Yunori Nishikawa, föreläsare vid Osaka Metropolitan University’s Graduate School of Science och huvudförfattare till studien.
Teamet gick istället lokalt: de fokuserade på kvantsammanflätning mellan en eller två godtyckligt utvalda atomer inom ett starkt korrelerat elektronsystem och deras omgivande miljö (resten av systemet).
Starkt korrelerade elektronsystem är material där elektron-elektron-interaktioner dominerar systemets beteende, vilket leder till rika, komplexa och ofta mycket sammanflätade kvanttillstånd. Dessa system fungerar som en grogrund för att utforska kvantsammanflätning.
Forskarna härledde formler för att beräkna viktiga kvantinformativa kvantiteter, inklusive sammanflätningsentropi (som kvantifierar hur sammanflätat ett system är), ömsesidig information (som mäter delad information mellan två delar av systemet) och relativ entropi (som mäter skillnader mellan kvanttillstånd). Dessa storheter är avgörande för att förstå hur olika delar av ett kvantsystem interagerar med och påverkar varandra.
”Det var en positiv överraskning när vi upptäckte att formeln för sammanflätningsentropi kunde återges med ett förvånansvärt enkelt uttryck”, säger Nishikawa.
För att testa sitt tillvägagångssätt tillämpade teamet sina formler på olika materialsystem, inklusive artificiella magnetiska material i nanoskala arrangerade i en linjär kedja och utspädda magnetiska legeringar.
Deras analys avslöjade kontraintuitiva mönster av kvantsammanflätning i de konstgjorda magnetiska systemen i nanoskala. I de utspädda magnetiska legeringarna lyckades de identifiera kvantrelativ entropi som en nyckelstorhet för att fånga Kondo-effekten, ett fenomen där en magnetisk orenhet skärmas av ledningselektroner.
”Beteendet hos kvantsammanflätning i artificiella magnetiska material i nanoskala trotsade våra ursprungliga förväntningar och öppnar nya vägar för att förstå kvantinteraktioner”, säger Nishikawa.
Studien banar väg för djupare utforskningar av kvantsammanflätning som kan leda till framsteg inom kvantteknologier.
”Våra formler kan också tillämpas på system med olika andra fysikaliska egenskaper”, säger Nishikawa. ”Vi hoppas kunna inspirera till fortsatt forskning och ge nya insikter om kvantbeteenden i olika material.”
Formeln för att beräkna sammanflätningsentropi är som följer:
där 𝑛↑, 𝑛↓ är antalet elektroner med upp- och nedspinn och h↑, h↓ är antalet hål (operatorer) med upp- och nedspinn i målatomen.
För mer information: Yunori Nishikawa et al, Quantum entanglement in a pure state of strongly correlated quantum impurity systems, Physical Review B (2025). DOI: 10.1103/PhysRevB.111.035112. På arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2404.18387
