Физики попытались разобраться в свойствах квантовой запутанности

В новом исследовании физики продемонстрировали способ установки реальной взаимосвязи между двумя тождественными частицами – тема, которая до сих пор оспаривалась. Результаты исследования дают лучшее понимание фундаментальной природы запутанности (корреляции) между тождественными частицами и имеют потенциальное применение в квантовой обработке информации. Одной из многих странных особенностей квантовой запутанности состоит в том, что если две частицы тождественны, то они автоматически оказываются запутанными. В этом случае «тождественность» означает, что частицы одного типа, например, два фотона считаются одинаковыми, потому что нет способа определить какой-либо конкретный фотон отдельно от другого. Этот тип запутанности, который физики называют «запутыванием из-за неразличимости», возникает из-за стандартного способа маркировки идентичных (тождественных) частиц. Хотя частицы одинаковы, физики как бы назначают им разные метки, чтобы отличить их друг от друга. Из-за того, как определяется сцепление, по отношению к их меткам, одинаковые частицы неизбежно оказываются запутанными.

Хотя этот тип запутанности отличается от запутанности между тождественными частицами, в кругу физиков существуют разногласия по поводу того, какой именно тип запутанности является прикладным. С одной точки зрения, запутанность сохраняется даже для отдаленных частиц, но не может быть использована в практике. С другой точки зрения, запутывание является просто артефактом маркировки и не должно рассматриваться как запутанность вообще.

Идеальным кандидатом для решения споров по поводу запутанности является использование разложения Шмидта для исследования эффекта запутанности между тождественными частицами. Но обычно оно используется для изучения запутанности между нетождественными частицами. К сожалению, разложение Шмидта нельзя использовать для тождественных частиц простым способом, иначе оно будет давать неправильные результаты, необходимо сделать определенные преобразования в используемой методике. Основным результатом нового исследования является то, что физики обобщили разложение Шмидта таким образом, что его можно применять как к тождественным частицам, так и не к тождественным.

“Результаты показывают, что запутанность между тождественными частицами – это не просто математический артефакт, а то, что при определенных условиях запутанность из-за неразличимости является истинным физическим запутыванием”, - сообщил соавтор исследования Росарио Ло Франко из университета Палермо, Италия.

Применение этого метода к двум тождественным кубитам показывает, что в определенных ситуациях частицы могут быть физически запутаны только в непосредственной близости, а не при пространственном разделении, как считалось ранее.

“Ключом к достижению такого результата было устранение стандартной практики назначения меток тождественным частицам, вместо этого просто описывались частицы с точки зрения их состояния”, - рассказал соавтор Джузеппе Компаньо из университета Палермо.

Исследователи также обнаружили несколько неожиданный результат для кутритов – трехуровневых частиц, которые имеют отношение к хранению квантовой информации, что непосредственно контрастирует с предыдущим результатом, в котором использовался другой метод. Физики сообщили, что такое различие требует дальнейшего изучения. В общем, исследователи ожидают, что этот метод предоставит новые ресурсы для прикладного применения эффекта квантовой запутанности.

“В том случае, когда волновые функции частиц перекрываются, запутанность, обусловленная исключительно неразличимостью и обнаруженная непосредственно разложением Шмидта, может быть оперативно использована в протоколах обработки квантовой информации”, - сообщил Ло Франко.

“Это достижение может сначала потребовать разделения тождественных частиц, полученных так называемыми процедурами экстракции”.

Пояснения к изображениям:

На первом изображении (52_1, Figure 1) в области (а) показаны два тождественных кубита в двух пространственно разделенных местах с противоположными псевдоспинами. (b) показаны два тождественных кубита в одной и той же пространственной моде с произвольными псевдоспинами. (с) два тождественных кутрита (трехуровневая квантовая система) в одной и той же пространственной моде. Заштрихованные эллипсы показывают, что частицы являются запутанными.

На втором изображении (52_2, Figure 2) показано двухкубитное состояние выраженное |Ф> = |? , ?_u> = cos(theta/2 * |? , ?>) + exp(i*phi)*sin(theta/2 * |?, ?>) ( ?_z ? ?) – главная ось. Один спин (красная стрелка) направлен вдоль оси z, а другой (синяя стрелка) в направлении, определяемым углами theta и phi.

На третьем изображении (52_3, Figure 3) показана запутанность, определяемая энтропией фон Неймана состояния |Ф> = |? , ?_u>, где ?_u> = cos(theta/2 * |?>) + exp(i*phi)*sin(theta/2 * |?>) в зависимости от угла theta.

На четвертом изображении (52_4, Figure 4) показано двухкутритное состояние выраженное формулой |Psi_Ф> = cos(Ф*|2_1 , e_2>) + sin(Ф*|e_1, e_3>) = |e_1, Ф>, где |Ф> = cos(Ф*|e_2>) + sin(Ф*|e_3>). Одночастичные состояния |e_1> и |Ф> ортогональны.

Оригинал статьи прикреплен к записи.

Источник:

https://phys.org/news/2017-03-physicists-controversy-identical-particle-entanglement.html

Источник: phys.org

Комментарии: