Эхо невидимого камня ✛

Оригинал: "Exploring Kondo effect by quantum energy teleportation"
arXiv:2310.15936 · 2023-10-24 · CC BY 4.0 · 2 мин
Квантовая запутанность позволяет почувствовать магнитную примесь в цепочке атомов, даже не приближаясь к ней.

В цепочке из восьми спинов притаился дефект — крошечный магнитный момент. Эффект Кондо, известный с 1930-х годов, заставляет электроны вокруг него выстраиваться в коллективный экран. Сопротивление материала аномально растёт. Но нащупать такую примесь, спрятанную глубоко в структуре, — всё равно что найти камень на дне тёмного пруда. Физики нашли способ: по ряби на воде.

Два наблюдателя, Алиса и Боб, находятся далеко от дефекта и друг от друга. Вся цепочка пронизана квантовой запутанностью — нелокальной связью, которая напоминает натянутую сеть нитей между атомами. Алиса вносит возмущение: она измеряет спин своего атома в точке 4. Это всё равно что бросить камешек в пруд — локальное действие мгновенно меняет всю картину запутанности. Результат измерения она передаёт Бобу по обычному каналу связи. Получив сигнал, Боб применяет к своему атому (точка 7) операцию, зависящую от этого результата, и затем измеряет энергию. Весь процесс описывается уравнением Шрёдингера и численно смоделирован методом точной диагонализации.

Энергия, которую извлёк Боб, оказалась удивительно информативной. Она в точности повторяет фазовую диаграмму системы, обычно вычисляемую через энтропию запутанности. Там, где энтропия достигает пика, телепортированная энергия тоже максимальна.

При JK=0.2 и B=0.4 телепортированная энергия достигает 0.05 J — примерно 50 наноэлектронвольт, если принять J за 1 миллиэлектронвольт. Это крохотная, но измеримая величина.

Более того, сгущения в спектре запутанности чётко указывают на фазовый переход, и энергетический отклик их улавливает.

Так квантовая энергетическая телепортация становится инструментом-эхолотом. Она позволяет зондировать скрытые дефекты и квантовые фазы без прямого контакта. Это важно для контроля материалов будущего: от спинтронных устройств до защищённых кубитов в квантовых компьютерах.

Энтропия запутанности, трудноизмеримая характеристика, здесь проявляется через энергетический отклик — словно глубина пруда, вычисленная по расстоянию между гребнями волн.

Ближайшая цель — услышать это эхо в лаборатории. Учёные планируют собрать цепочку из ридберговских атомов, удерживаемых в оптической решётке, где взаимодействие между ними имитирует обменные константы. Камень по-прежнему не виден, но круги на воде выдают его местоположение и массу. Осталось только научиться читать эту рябь безошибочно.

Эффект Кондо был открыт в 1930-х годах как загадочный минимум электросопротивления в золоте с примесями. Лишь в 1964 году Джун Кондо объяснил его как результат квантового экранирования магнитного момента примеси электронами проводимости.

\langle E_{n_B} \rangle = \frac{1}{2}[\xi - \sqrt{\xi^2 + \eta^2}]
Здесь ξ и η — функции от операторов спина и гамильтониана, вычисляемые в основном состоянии. Отрицательное значение означает извлечение энергии из системы.
Учёные
William WoottersJohn Stewart BellJacob BekensteinErwin SchrödingerAlain AspectDavid Deutsch
Понятия
квантовая запутанность квантовая телепортация распространение информации обмен энергией генерация запутанности энтропия фон Неймана защищённая связь эффект Кондо связь сеть передача данных теорема CPT переход сила связи энергетическое состояние однокубитная операция центральный заряд кубит на ионной ловушке шифрование одномерная цепочка