Две доменные стенки запутались в свете ✛ ✎

Оригинал: "Macroscopic entanglement between localized domain walls inside a cavity"
arXiv:2508.03450 · 2025-08-05 · arXiv non-exclusive · собственный разбор · 2 мин
Свет в резонаторе связывает два макроскопических магнитных дефекта, и они начинают вести себя как единый квантовый объект.

Два маятника, связанные световой пружиной, начинают колебаться в такт, даже не касаясь друг друга. В квантовом мире такой синхронизм означает нечто большее: частицы теряют индивидуальность и становятся единым объектом. Именно это происходит с двумя доменными стенками — границами между областями с разной намагниченностью — внутри хирального резонатора, полости, пропускающей свет только одной поляризации.

Свет в резонаторе давит на стенки через обратный эффект Фарадея, когда фотоны создают магнитное поле в среде. Это оптомеханическое взаимодействие превращает свет в пружину: колебания одной стенки передаются другой. Физики построили теоретическую модель, в которой стенки ведут себя как квантовые осцилляторы, и обнаружили области параметров, где возникает диссипативный фазовый переход — смена устойчивого состояния из-за потерь. Вблизи таких точек запутанность максимальна.

Доменные стенки в магнитных материалах ведут себя как частицы с массой ~10⁻²⁷ кг, а их нулевые колебания составляют около 10 нм — это на порядки больше, чем у одиночного атома.

Раньше было неясно, можно ли запутать два макроскопических магнитных дефекта без сильной нелинейности и при температурах выше милликельвинов. Теперь показано, что две закреплённые стенки в хиральном резонаторе можно привести в устойчивое перепутанное состояние, управляя только лазером и потенциалом закрепления. При одинаковых частотах фотон сначала запутывается с обеими стенками, а при увеличении расстройки запутанность переходит в пару стенка-стенка. При разных частотах фотон запутывается поочерёдно с одной из стенок.

Эта схема не требует сильной нелинейности и опирается на диссипативную динамику, что делает её практичной. Доменные стенки как макроскопические кубиты могут быть интегрированы в плотные массивы для квантовых вычислений и памяти. Работа при температурах до нескольких кельвинов решает проблему декогеренции, которая мучает традиционные магнонные системы. В перспективе такие запутанные стенки станут чувствительными зондами магнитного поля и строительными блоками квантовых сетей.

Числа впечатляют: запутанность сохраняется до 2.6 К при частоте 100 ГГц, а мощность лазера нужна всего несколько милливатт. Логарифмическая отрицательность, мера запутанности, достигает 0.3 — это заметная величина для макроскопических объектов. Схему можно распространить на другие хиральные текстуры, такие как скирмионы, и на ферроэлектрические доменные стенки, где фотострикция даёт сильное взаимодействие. Возможно создание массивов из нескольких резонаторов для масштабируемых квантовых сетей.

Доменные стенки в магнитных материалах ведут себя как частицы с массой ~10⁻²⁷ кг, а их нулевые колебания составляют около 10 нм — это на порядки больше, чем у одиночного атома.

В романе Грега Игана «Лестница Шильда» квантовые состояния макроскопических объектов используются для вычислений — доменные стенки могли бы стать шагом к такой технологии.

E_N = \max[0, -\log(2\nu_{min})]
Логарифмическая отрицательность: если наименьшее симплектическое собственное значение ковариационной матрицы меньше 1/2, система запутана, и чем меньше это значение, тем сильнее запутанность.
H = \Delta a^\dagger a + \sum_{j=1,2} \omega_j b_j^\dagger b_j - \sum_{j=1,2} g_j (a^\dagger + a)(b_j + b_j^\dagger)
Гамильтониан оптомеханической системы: энергия фотонов в резонаторе, энергия колебаний доменных стенок и их взаимодействие через радиационное давление.
Учёные
Erwin SchrödingerHugh Everett IIIStephen HawkingJacob BekensteinAbner ShimonyAlain Aspect
Понятия
доменная стенка динамика магнитных доменов магнитооптическая микроскопия удержание запутанные фотонные пары запутанность фотонов оптическая ловушка измерение температуры на наноуровне магнитный домен закон площади сгусток сканирующий туннельный микроскоп