糾纏是一種量子現象，其中兩個或多個粒子的屬性以某種方式相互關聯，以至于人們無法再為每個單獨的粒子分配確定的狀態。相反，我們必須同時考慮共享某種狀態的所有粒子。粒子的糾纏最終決定了材料的特性。

“許多粒子的糾纏是造成差異的特征，”該論文的第一作者之一克里斯蒂安·科凱爾強調說，該論文現已發表在《自然》雜志上。“但與此同時，這又很難確定。” 由因斯布魯克大學 Peter Zoller 和奧地利科學院 (ÖAW) 量子光學與量子信息研究所 (IQOQI) 領導的研究人員現在提供了一種新方法，可以顯著改善對量子材料中糾纏的研究和理解。為了描述大型量子系統并從中提取有關現有糾纏的信息，人們天真地需要執行大量不可能的測量。理論物理學家 Rick van Bijnen 解釋說：“我們開發了一種更有效的描述，使我們能夠通過更少的測量從系統中提取糾纏信息。”

在具有 51 個粒子的離子阱量子模擬器中，科學家們通過逐個粒子地重新創建真實材料并在受控實驗室環境中對其進行研究來模仿真實材料。全世界很少有研究小組能夠像克里斯蒂安·魯斯和雷納·布拉特領導的因斯布魯克實驗物理學家那樣對如此多的粒子進行必要的控制。“我們面臨的主要技術挑戰是如何保持低錯誤率，同時控制捕獲在陷阱中的 51 個離子，并確保單個量子位控制和讀出的可行性”，實驗員 Manoj Joshi 解釋道。在此過程中，科學家們首次在實驗中目睹了此前僅在理論上描述過的效果。“在這里，我們結合了過去幾年共同苦心研究出來的知識和方法。最近加入哈佛大學理論原子分子和光學物理研究所的克里斯蒂安·科凱爾 (Christian Kokail) 興奮地說：“令人印象深刻的是，您可以利用當今可用的資源來完成這些事情。”

通過溫度曲線的快捷方式

在量子材料中，粒子可以或多或少地強烈糾纏。對強糾纏粒子的測量僅產生隨機結果。如果測量結果波動很大(即，如果它們完全是隨機的)，那么科學家將其稱為“熱”。如果某個結果的概率增加，那么它就是一個“冷”量子物體。只有對所有糾纏物體的測量才能揭示準確的狀態。在由很多粒子組成的系統中，測量的工作量大大增加。量子場論預測，許多糾纏粒子系統的子區域可以分配一個溫度分布。這些輪廓可用于得出顆粒的纏結程度。

在因斯布魯克量子模擬器中，這些溫度分布是通過計算機和量子系統之間的反饋回路確定的，計算機不斷生成新的分布并將其與實驗中的實際測量結果進行比較。研究人員獲得的溫度分布表明，與環境相互作用強烈的粒子是“熱”的，而與環境相互作用很少的粒子是“冷”的。“這完全符合預期，即當粒子之間的相互作用很強時，糾纏會特別大，”克里斯蒂安·科凱爾說。

打開物理學新領域的大門

“我們開發的方法為研究相關量子物質中的大規模糾纏提供了強大的工具。這為使用當今已經可用的量子模擬器來研究一類新的物理現象打開了大門，”量子大師 Peter Zoller 說道。“使用經典計算機，這樣的模擬不再能夠通過合理的努力來計算。” 在因斯布魯克開發的方法也將用于在此類平臺上測試新理論。