Une fois décrite par Einstein comme une «action effrayante à distance», l'intrication quantique peut désormais sembler moins intimidante à la lumière des nouvelles résultats de la recherche.
Les physiciens de l'Université métropolitaine d'Osaka ont développé de nouvelles formules plus simples pour quantifier l'enchevêtrement quantique dans des systèmes électroniques fortement corrélés et les ont appliqués pour étudier plusieurs matériaux à l'échelle nanométrique. Leurs résultats offrent de nouvelles perspectives dans les comportements quantiques dans les matériaux avec différentes caractéristiques physiques, contribuant aux progrès des technologies quantiques.
L'étude est publiée dans Revue physique B.
L'intrication quantique est un phénomène unique dans lequel deux particules, une fois connectées, restent liées, quelle que soit leur éloignement dans l'espace. Cette caractéristique fondamentale joue un rôle vital dans les technologies émergentes telles que l'informatique quantique et la cryptographie quantique.
Bien que des progrès significatifs aient été réalisés pour comprendre ce soi-disant phénomène effrayant, les scientifiques se retrouvent toujours emmêlés dans ses subtilités.
« Des études antérieures se sont largement concentrées sur les propriétés universelles de l'enchevêtrement quantique dans les matériaux présentant du magnétisme ou de la supraconductivité », a déclaré Yunori Nishikawa, maître de conférences à la Graduate School of Science de l'Université Metropolitan et auteur de l'étude.
L'équipe, à la place, est devenue locale: ils se sont concentrés sur l'enchevêtrement quantique entre un ou deux atomes sélectionnés arbitrairement dans un système électronique fortement corrélé et leur environnement (le reste du système).
Les systèmes électroniques fortement corrélés sont des matériaux dans lesquels les interactions électron-électron dominent le comportement du système, conduisant à des états quantiques riches, complexes et souvent très enchevêtrés. Ces systèmes servent de motif fertile pour explorer l'enchevêtrement quantique.
Les chercheurs ont dérivé des formules pour calculer les quantités informatives quantiques clés, y compris l'entropie d'intrication (qui quantifie à quel point un système est enchevêtré), des informations mutuelles (qui mesurent les informations partagées entre deux parties du système) et l'entropie relative (qui mesurait les différences entre les états quantiques). Ces quantités sont essentielles pour comprendre comment différentes parties d'un système quantique interagissent et s'influencent mutuellement.
« Ce fut une agréable surprise lorsque nous avons constaté que la formule de l'entropie enchevêtrée pouvait être rendue dans une expression étonnamment simple », a déclaré Nishikawa.
Pour tester leur approche, l'équipe a appliqué ses formules à différents systèmes de matériaux, y compris des matériaux magnétiques artificiels à l'échelle nanométrique disposés dans une chaîne linéaire et dilué les alliages magnétiques.
Leur analyse a révélé des modèles contre-intuitifs d'enchevêtrement quantiques dans les systèmes magnétiques artificiels à l'échelle nanométrique. Dans les alliages magnétiques dilués, ils ont réussi à identifier l'entropie relative quantique comme une quantité clé pour capturer l'effet kondo, un phénomène dans lequel une impureté magnétique est dépistée par des électrons de conduction.
« Le comportement de l'enchevêtrement quantique dans les matériaux magnétiques artificiels à l'échelle nanométrique a défié nos attentes initiales, ouvrant de nouvelles avenues pour comprendre les interactions quantiques », a déclaré Nishikawa.
L'étude ouvre la voie à des explorations plus profondes de l'enchevêtrement quantique qui pourraient entraîner des progrès dans les technologies quantiques.
« Nos formules peuvent également être appliquées aux systèmes à diverses autres propriétés physiques », a déclaré Nishikawa. « Nous espérons inspirer de nouvelles recherches et fournir de nouvelles informations sur les comportements quantiques dans différents matériaux. »
La formule pour calculer l'entropie d'enchevêtrement est la suivante:
dans lequel 𝑛↑𝑛↓ sont les nombres d'électrons à spin haut et bas et h↑H↓ sont le nombre de trous de haut en bas (opérateurs) dans l'atome cible.
