درهم‌تنیدگی کوانتومی که اینشتین آن را به عنوان پدیده شبح‌وار در یک فاصله توصیف کرده بود، در پرتو یافته‌های پژوهش جدید پژوهشگران ژاپنی ممکن است کمتر ترسناک به نظر برسد.

به نقل از آسیا ریسرچ نیوز، فیزیک‌دانان «دانشگاه متروپولیتن اوساکا»(OMU) فرمول‌های جدید و ساده‌تری را برای تعیین کمیت درهم‌تنیدگی کوانتومی در سیستم‌های الکترونی با همبستگی قوی ارائه داده‌اند و از آنها برای مطالعه چندین ماده در مقیاس نانو استفاده کرده‌اند. نتایج این پژوهش، دیدگاه‌های جدیدی را درباره رفتارهای کوانتومی مواد با ویژگی‌های فیزیکی متفاوت ارائه می‌دهد که به پیشرفت در فناوری‌های کوانتومی کمک می‌کنند.

درهم تنیدگی کوانتومی یک پدیده‌ منحصربه‌فرد است که در آن دو ذره پس از اتصال بدون توجه به این که چقدر از یکدیگر در فضا فاصله دارند، به هم مرتبط می‌مانند. این ویژگی بنیادین، یک نقش حیاتی را در فناوری‌های نوظهور مانند محاسبات کوانتومی و رمزنگاری کوانتومی بر عهده دارد.

اگرچه پیشرفت‌های قابل توجهی در درک این پدیده به اصطلاح شبح‌وار به دست آمده است اما دانشمندان هنوز خود را در پیچیدگی‌های آن گرفتار می‌یابند. «یونوری نیشیکاوا»(Yunori Nishikawa) مدرس دانشکده علوم تکمیلی دانشگاه متروپولیتن اوساکا و پژوهشگر ارشد این پروژه گفت: پژوهش‌های پیشین عمدتا روی خواص جهانی درهم‌تنیدگی کوانتومی در موادی متمرکز شده‌اند که دارای خاصیت مغناطیسی یا ابررسانایی هستند.

این گروه پژوهشی، درهم‌تنیدگی کوانتومی را بین یک یا دو اتم انتخاب‌شده در یک سیستم الکترونی شدیدا همبسته و محیط اطراف آنها به صفر رساندند. سیستم‌های الکترونی با همبستگی قوی، موادی هستند که در آنها تعامل‌های الکترون-الکترون بر رفتار سیستم غالب می‌شوند و حالت‌های کوانتومی غنی، پیچیده و اغلب درهم‌تنیده را پدید می‌آورند. این سیستم‌ها به عنوان بسترهای حاصل‌خیز برای بررسی درهم‌تنیدگی کوانتومی عمل می‌کنند.

پژوهشگران فرمول‌هایی را برای محاسبه کمیت اطلاعات کوانتومی کلیدی استخراج کردند؛ از جمله آنتروپی درهم‌تنیدگی که میزان درهم‌تنیدگی یک سیستم را مشخص می‌کند، اطلاعات متقابل که داده‌های مشترک بین دو قسمت از سیستم را مورد بررسی قرار می‌دهد و آنتروپی نسبی که به اندازه‌گیری تفاوت‌های بین حالت‌های کوانتومی می‌پردازد.

این اطلاعات برای درک این موضوع حیاتی هستند که چگونه بخش‌های گوناگون یک سیستم کوانتومی با یکدیگر تعامل دارند و بر یکدیگر تأثیر می‌گذارند. نیشیکاوا گفت: وقتی دریافتیم که فرمول آنتروپی درهم‌تنیدگی را می‌توان به صورت بسیار ساده بیان کرد، شگفت‌زده شدیم.

پژوهشگران برای آزمایش این روش، فرمول‌های خود را روی مواد گوناگون از جمله مواد مغناطیسی مصنوعی در مقیاس نانو که در یک زنجیره خطی چیده شده‌اند و آلیاژهای مغناطیسی رقیق اعمال کردند. تحلیل آنها، الگوهای ضد درهم‌تنیدگی کوانتومی را در سیستم‌های مغناطیسی مصنوعی در مقیاس نانو نشان داد. در آلیاژهای مغناطیسی رقیق، آنها با موفقیت آنتروپی نسبی کوانتومی را به عنوان یک کمیت کلیدی برای ثبت پدیده‌ موسوم به «اثر کوندو»(Kondo effect) شناسایی کردند که در آن ناخالصی مغناطیسی توسط الکترون‌های رسانا غربال می‌شود.

نیشیکاوا ادامه داد: رفتار درهم‌تنیدگی کوانتومی در مواد مغناطیسی مصنوعی در مقیاس نانو، انتظارات اولیه ما را نادیده گرفت و روزنه‌های جدیدی را برای درک تعاملات کوانتومی باز کرد.

این پژوهش، راه را برای کاوش‌های عمیق‌تر پیرامون درهم‌تنیدگی کوانتومی هموار می‌کند که می‌توانند به پیشرفت در فناوری‌های کوانتومی بیانجامند. نیشیکاوا گفت: فرمول‌های ما را می‌توان روی سیستم‌های دیگری با خواص فیزیکی گوناگون نیز اعمال کرد. امیدواریم که الهام‌بخش پژوهش‌های بیشتری باشیم و اطلاعات جدیدی را درباره رفتارهای کوانتومی در مواد گوناگون ارائه دهیم.

این پژوهش در مجله «Physical Review B» به چاپ رسید.