Квантовые вычисления были намечены в качестве следующего революционного шага в вычислительной технике. Однако существующие системы практически стабильны только при температурах, близких к абсолютному нулю. Новая теорема, полученная в результате совместной работы японских исследователей, дает понимание того, какие типы дальнодействующей квантовой запутанности сохраняются при ненулевых температурах, раскрывая фундаментальный аспект макроскопических квантовых явлений и прокладывая путь к дальнейшему пониманию квантовых систем и разработке новых квантовых устройств, стабильных при комнатной температуре.

Когда вещи становятся маленькими, вплоть до масштаба одной тысячной ширины человеческого волоса, законы классической физики заменяются законами квантовой физики. Квантовый мир странен и прекрасен, и в нем есть многое, что ученым еще предстоит понять. Крупномасштабные или "макроскопические" квантовые эффекты играют ключевую роль в таких экстраординарных явлениях, как сверхпроводимость, которая потенциально может изменить правила игры в будущем транспорте энергии, а также в дальнейшем развитии квантовых компьютеров.

Можно наблюдать и измерять "квантовость" в этом масштабе в конкретных системах с помощью дальнодействующей квантовой запутанности. Квантовая запутанность, которую Альберт Эйнштейн однажды классно описал как "жуткое действие на расстоянии", возникает, когда группа частиц не может быть описана независимо друг от друга. Это означает, что их свойства связаны: если вы сможете полностью описать одну частицу, вы также будете знать все о частицах, с которыми она связана.

Дальнодействующая запутанность занимает центральное место в квантовой теории информации, и ее дальнейшее понимание может привести к прорыву в технологиях квантовых вычислений. Однако квантовая запутанность на больших расстояниях стабильна при определенных условиях, например, между тремя или более сторонами и при температурах, близких к абсолютному нулю (-273°C). Что происходит с двусторонними запутанными системами при ненулевых температурах? Чтобы ответить на этот вопрос, исследователи из проекта RIKEN Center for Advanced Intelligence Project, Токио, и Университета Кейо, Иокогама, недавно представили теоретическое исследование в Физический обзор X описание дальнодействующей запутанности при температурах выше абсолютного нуля в двудольных системах.

"Цель нашего исследования состояла в том, чтобы выявить ограничение на структуру дальнего запутывания при произвольных ненулевых температурах", - объясняет руководитель группы RIKEN Hakubi Томотака Кувахара, один из авторов исследования, который проводил исследование в рамках проекта RIKEN Center for Advanced Intelligence. "Мы приводим простые теоремы, которые показывают, какие виды запутывания на большие расстояния могут сохраняться при ненулевых температурах. При температурах выше абсолютного нуля частицы в материале вибрируют и перемещаются за счет тепловой энергии, которая действует против квантовой запутанности. При произвольных ненулевых температурах никакая дальнодействующая запутанность не может сохраняться только между двумя подсистемами."

Выводы исследователей согласуются с предыдущими наблюдениями о том, что дальнодействующая запутанность сохраняется при ненулевой температуре только тогда, когда задействовано более трех подсистем. Результаты показывают, что это фундаментальный аспект макроскопических квантовых явлений при комнатных температурах, и что квантовые устройства должны быть сконструированы таким образом, чтобы иметь многосторонние запутанные состояния.

"Этот результат открыл дверь к более глубокому пониманию квантовой запутанности на больших расстояниях, так что это только начало", - утверждает профессор Университета Кейо Кейджо Сайто, соавтор исследования. "Мы стремимся углубить наше понимание взаимосвязи между квантовой запутанностью и температурой в будущем. Эти знания послужат толчком к разработке будущих квантовых устройств, которые будут работать при комнатных температурах, что сделает их практичными".