Ключ к квантовым тайнам: отслеживание запутанных кварков

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com

В мире, где слово «квант» стало частью повседневного языка, упоминаемого в названиях компаний и культурных произведениях, наука продолжает раскрывать его истинное значение. Квантовая физика, зародившаяся в начале XX века, сегодня стоит на пороге новой эры, где её принципы и явления, казавшиеся недавно лишь теоретическими абстракциями, обретают вполне осязаемые формы.

Современные технологии, такие как компьютеры, мобильные телефоны, телескопы и космические корабли, уже неотделимы от квантовой механики. Но это лишь вершина айсберга. На горизонте зреют квантовые компьютеры и коммуникационные сети, способные радикально изменить наш мир. И пока эти технологии ещё не стали частью нашей повседневной жизни, учёные активно разрабатывают квантовый код для выполнения квантовых вычислений и отслеживания сложных квантовых систем.

Одним из самых загадочных и в то же время ключевых явлений квантовой физики является запутанность. Это явление, когда два квантовых объекта, например частицы, оказываются взаимосвязанными, даже будучи разделёнными огромными расстояниями. Эйнштейн называл это «жутким действием на расстоянии», и хотя его реальность подтверждена множеством экспериментов, полное понимание этого феномена остаётся одной из величайших загадок.

Исследователи из Национальной лаборатории Брукхейвен и Университета Стоуни Брук совершили прорыв, проведя серию квантовых симуляций, которые позволили глубже изучить запутанность на уровне субатомных частиц. Они исследовали, сохраняется ли запутанность в струях вторичных частиц, возникающих в результате столкновений высокоэнергетических частиц. Результаты их работы, опубликованные в журнале Physical Review Letters, показали, что запутанность действительно сохраняется, хотя и на коротких расстояниях.

Слева: Временная эволюция локальной плотности заряда (вертикальные полосы) и электрического поля (стрелки) с вычитанием значений математического ожидания вакуума. Черные (белые) четные (нечетные) сайты соответствуют (анти)фермионам. Положение внешних источников отображается над каждой конфигурацией. Сверху вниз строки предназначены для значений времени (в единицах шага решетки a ) t/a=2− до 10− где n− ≡ n−ε с ε — сколь угодно малое положительное число. Справа: сверху вниз эволюция электрической энергии во времени, скалярная плотность фермионов, энтропия запутанности и электрический заряд. Пунктирными линиями на первой панели показана электрическая энергия, вырабатываемая внешними источниками. Величина вакуумного фермионного конденсата, интегрированного по длине решетки, равна ν0 = −5.16 — Слева: Временная эволюция локальной плотности заряда (вертикальные полосы) и электрического поля (стрелки) с вычитанием значений математического ожидания вакуума. Черные (белые) четные (нечетные) сайты соответствуют (анти)фермионам. Положение внешних источников отображается над каждой конфигурацией. Сверху вниз строки предназначены для значений времени (в единицах шага решетки a ) t/a=2− до 10− где n− == n−ε с ε — сколь угодно малое положительное число. Справа: сверху вниз эволюция электрической энергии во времени, скалярная плотность фермионов, энтропия запутанности и электрический заряд. Пунктирными линиями на первой панели показана электрическая энергия, вырабатываемая внешними источниками. Величина вакуумного фермионного конденсата, интегрированного по длине решетки, равна ν0 = −5.16
Автор: Adrien Florio, David Frenklakh, Kazuki Ikeda, Dmitri Kharzeev, Vladimir Korepin, Shuzhe Shi, and Kwangmin Yu Phys. Rev. Lett. 131, 021902 — Published 13 July 2023DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.131.021902 Источник: journals.aps.org

Эти открытия не только подтверждают теоретические предположения, но и открывают новые возможности для экспериментов в области ядерной физики. Они могут быть проверены на Релятивистском коллайдере тяжелых ионов в Брукхейвене, Большом адронном коллайдере в CERN и на будущем Электрон-ионном коллайдере, который сейчас разрабатывается.

Интересно, что, несмотря на использование квантового кода, расчёты проводились на классическом суперкомпьютере. Это подчёркивает, что даже сегодняшние вычислительные мощности могут быть адаптированы для выполнения квантовых вычислений, в ожидании того момента, когда квантовые компьютеры станут более доступными и практичными.

Исследование также подчеркивает важность совместной работы учёных и инженеров в области квантовых технологий. Сотрудничество с компанией NVIDIA, разработчиком графических процессоров, используемых в современных суперкомпьютерах, направлено на дальнейшее усовершенствование классических компьютеров для квантовых симуляций.

В заключение, работа учёных из Брукхейвена и их коллег открывает новые горизонты для понимания квантовой запутанности и её практического применения. Она свидетельствует о том, что мы стоим на пороге новой эры, где квантовая физика перестаёт быть лишь частью академических дискуссий и становится реальной силой, способной изменить наш мир.