纠缠是一种量子现象，两个或两个以上的粒子的性质以一种不能再给每个单独的粒子分配确定状态的方式相互联系。相反，我们必须同时考虑所有共享某种状态的粒子。粒子的纠缠最终决定了材料的性质。
“许多粒子的纠缠是产生差异的特征，”发表在《自然》杂志上的论文的第一作者之一Christian Kokail说。“然而，与此同时，很难确定。”
因斯布鲁克大学的Peter Zoller和奥地利科学院的量子光学和量子信息研究所(IQOQI) (?AW)领导的研究人员现在提供了一种新的方法，可以显著提高对量子材料纠缠的研究和理解。
为了描述大量子系统并从中提取有关现有纠缠的信息，人们可能天真地需要进行不可能的大量测量。理论物理学家Rick van Bijnen解释说:“我们已经开发了一种更有效的描述方法，使我们能够通过更少的测量从系统中提取纠缠信息。”
在一个有51个粒子的离子阱量子模拟器中，科学家们通过一个粒子一个粒子地重建一种真实的材料，并在受控的实验室环境中对其进行研究。世界上很少有研究小组能像由克里斯蒂安·鲁斯和雷纳·布拉特领导的因斯布鲁克实验物理学家那样，对如此多的粒子进行必要的控制。
“我们在这里面临的主要技术挑战是如何保持低错误率，同时控制困在陷阱中的51个离子，并确保单个量子比特控制和读出的可行性，”实验家Manoj Joshi解释说。
在这个过程中，科学家们第一次在实验中看到了以前只在理论上描述的效应。“在这里，我们将过去几年共同努力的知识和方法结合起来。看到你可以用今天可用的资源做这些事情是令人印象深刻的，”最近加入哈佛大学理论原子分子和光物理研究所的Kokail说。
在量子材料中，粒子或多或少会纠缠在一起。对强纠缠粒子的测量只能得到随机结果。如果测量结果波动很大，即。如果它们是完全随机的，那么科学家们称之为“热”。如果某一结果的概率增加，它就是一个“冷”量子物体。只有对所有纠缠物体的测量才能揭示确切的状态。
在由许多粒子组成的系统中，测量的努力大大增加。量子场论预测，一个由许多纠缠粒子组成的系统的子区域可以被指定一个温度分布。这些轮廓可以用来推导粒子的纠缠度。
在因斯布鲁克量子模拟器中，这些温度曲线是通过计算机和量子系统之间的反馈回路确定的，计算机不断生成新的曲线，并将其与实验中的实际测量结果进行比较。
研究人员获得的温度分布表明，与环境相互作用强烈的粒子是“热的”，而与环境相互作用小的粒子是“冷的”。
Kokail说:“这完全符合预期，在粒子之间的相互作用很强的地方，纠缠特别大。”
“我们开发的方法为研究相关量子物质中的大规模纠缠提供了强大的工具。这为使用量子模拟器研究一类新的物理现象打开了大门，而量子模拟器目前已经可用，”Zoller说。
“使用经典计算机，这种模拟再也无法通过合理的努力计算出来。”在因斯布鲁克开发的方法也将用于在这些平台上测试新的理论。
