日本科學家揭開量子糾結之謎：簡化公式帶來新突破

日本物理學家近日開發出一套簡化的公式，能夠更精準地測量量子糾結，並在奈米尺度材料中揭示了令人驚訝的量子互動作用。這項研究不僅為強關聯電子系統提供了新的見解，也為量子技術的應用帶來了潛在的突破。

量子糾結，這個曾被愛因斯坦稱為「鬼魅般的遠距作用」的現象，如今在新研究的推動下變得更容易理解。大阪市立大學的物理學家們開發出一套簡化的公式，用於測量強關聯電子系統中的量子糾結。他們在多種奈米尺度材料上測試了這些公式，揭示了量子糾結在不同物理環境中的行為，這項發現有望推動量子技術的發展。

量子糾結發生在兩個粒子以某種方式連結在一起，無論它們相隔多遠，這種連結依然存在。這種效應是新興技術如量子計算和量子密碼學的核心。儘管在理解量子糾結方面取得了重大進展，但許多方面仍然複雜且難以解開。

大阪市立大學科學研究科講師、該研究的主要作者西川悠紀表示，以往的研究主要集中在表現出磁性或超導性的材料中量子糾結的普遍特性。然而，他們的研究團隊則將焦點放在區域性：他們深入研究了強關聯電子系統中任意選擇的一兩個原子與其周圍環境（系統的其餘部分）之間的量子糾結。

強關聯電子系統是指電子間相互作用主導系統行為的材料，這些系統通常會產生豐富、複雜且高度糾結的量子態，成為探索量子糾結的肥沃土壤。

研究人員推匯出計算關鍵量子資訊量的公式，包括糾結熵（量化系統的糾結程度）、互資訊（測量系統兩部分之間共享的資訊）和相對熵（衡量量子態之間的差異）。這些量對於理解量子系統中不同部分如何相互作用和影響彼此至關重要。

西川表示，當他們發現糾結熵的公式可以用一個驚人簡單的表示式來呈現時，這是一個令人愉快的驚喜。為了測試他們的方法，團隊將這些公式應用於不同的材料系統，包括排列成線性鏈的奈米尺度人工磁性材料和稀釋磁性合金。他們的分析揭示了奈米尺度人工磁性系統中量子糾結的反直覺模式。在稀釋磁性合金中，他們成功識別出量子相對熵作為捕捉近藤效應的關鍵量，這是一種磁雜質被傳導電子遮蔽的現象。

西川指出，奈米尺度人工磁性材料中量子糾結的行為違背了他們最初的預期，這為理解量子互動作用開闢了新的途徑。這項研究為深入探索量子糾結鋪平了道路，並有望推動量子技術的進步。

西川還表示，他們的公式也可以應用於具有其他各種物理特性的系統，他們希望能夠激發進一步的研究，並為不同材料中的量子行為提供新的見解。

該研究已發表於《物理評論B》，參考文獻：Yunori Nishikawa 和 Tomoki Yoshioka 的《強關聯量子雜質系統純態中的量子糾結》，2025年1月7日，DOI: 10.1103/PhysRevB.111.035112。