Quantensimulator visualisiert großräumige Verschränkung in Materialien – Physics World

Quantensimulator visualisiert großräumige Verschränkung in Materialien – Physics World

Zeitstempel: 14. Dezember 2023, 5:07 Uhr

Künstlerische Illustration, die eine Lupe zeigt, die über einer grauen Oberfläche eines Materials hängt. Bunte Partikel – rot, blau, violett und orange, die unterschiedliche Temperaturen repräsentieren – springen aus dem Material und passieren die Lupe
Wie verstrickt ist es? Die Forscher erhielten Temperaturprofile ihres Systems, aus denen hervorgeht, dass Teilchen mit starker Wechselwirkung „heiß“ (rot) und solche mit geringer Wechselwirkung „kalt“ (blau) sind. Die Verschränkung ist am größten, wenn die Wechselwirkungen stark sind. (Mit freundlicher Genehmigung von Helene Hainzer)

Physiker in Österreich haben dank eines 50 Jahre alten Theorems aus der Quantenfeldtheorie eine schnelle und effiziente Möglichkeit gefunden, Informationen über die großräumige Verschränkungsstruktur eines Quantenmaterials zu extrahieren. Die neue Methode könnte Türen in Bereichen wie der Quanteninformation, der Quantenchemie oder sogar der Hochenergiephysik öffnen.

Quantenverschränkung ist ein Phänomen, bei dem die in einem Ensemble von Teilchen enthaltenen Informationen in Korrelationen zwischen ihnen kodiert werden. Auf diese Informationen kann man nicht zugreifen, indem man die Teilchen einzeln untersucht, und sie sind ein wesentliches Merkmal der Quantenmechanik, das die Quantenwelt klar von der klassischen Welt unterscheidet. Die Verschränkung ist nicht nur von zentraler Bedeutung für Quantencomputing und Quantenkommunikation, sondern hat auch großen Einfluss auf die Eigenschaften einer neuen Klasse exotischer Materialien. Ein tieferes Verständnis davon könnte Wissenschaftlern daher helfen, Probleme in den Materialwissenschaften, der Physik der kondensierten Materie und darüber hinaus zu verstehen und zu lösen.

Das Problem besteht darin, dass es bekanntermaßen schwierig ist, etwas über die innere Verschränkung einer großen Anzahl verschränkter Teilchen herauszufinden, da die Komplexität der Korrelationen exponentiell mit der Anzahl der Teilchen zunimmt. Diese Komplexität macht es einem klassischen Computer unmöglich, Materialien aus solchen Partikeln zu simulieren. Quantensimulatoren sind für diese Aufgabe besser gerüstet, da sie die gleiche exponentielle Komplexität darstellen können wie das Zielmaterial, das sie simulieren. Die Ermittlung der Verschränkungseigenschaften eines Materials mit Standardtechniken erfordert jedoch immer noch eine unlösbar große Anzahl von Messungen.

Quantensimulator

In ihrer neuen, effizienteren Methode zur Bewertung der Stärke der Verschränkung eines Systems interpretierten Forscher der Universität Innsbruck und des nahegelegenen Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) die Verschränkungsstärke anhand einer lokalen Temperatur. Während stark verschränkte Bereiche des Quantenmaterials bei dieser Methode „heiß“ erscheinen, erscheinen schwach verschränkte Bereiche „kalt“. Entscheidend ist, dass die genaue Form dieses lokal variierenden Temperaturfelds durch die Quantenfeldtheorie vorhergesagt wird, was es dem Team ermöglicht, Temperaturprofile effizienter zu messen, als es mit früheren Methoden möglich war.

Um ein verschränktes Quantenmaterial zu simulieren, verwendete das Team von Innsbruck-IQOQI ein System von 51 40Ca+ Ionen werden in einer Vakuumkammer durch das oszillierende elektrische Feld einer Vorrichtung namens lineare Paul-Falle an Ort und Stelle gehalten. Dieser Aufbau ermöglicht die individuelle Steuerung jedes Ions und das Auslesen seines Quantenzustands mit hoher Genauigkeit. Die Forscher konnten schnell die richtigen Temperaturprofile ermitteln, indem sie eine Rückkopplungsschleife zwischen dem System und einem (klassischen) Computer einrichteten, der ständig neue Profile generiert und diese mit den tatsächlichen Messungen im Experiment vergleicht. Anschließend führten sie Messungen durch, um Eigenschaften wie die Energie des Systems zu ermitteln. Schließlich untersuchten sie die innere Struktur der Systemzustände, indem sie die „Temperatur“-Profile untersuchten, was es ihnen ermöglichte, die Verschränkung zu bestimmen.

Heiße und kalte Regionen

Die vom Team erhaltenen Temperaturprofile zeigen, dass Regionen, die stark mit umgebenden Partikeln korrelieren, als „heiß“ (d. h. stark verschränkt) betrachtet werden können und diejenigen, die nur sehr wenig interagieren, als „kalt“ (schwach verschränkt) betrachtet werden können. Die Forscher bestätigten außerdem zum ersten Mal Vorhersagen der Quantenfeldtheorie in Bezug auf Grundzustände (oder Niedertemperaturzustände) von Materialien mithilfe des Bisognano-Wichmann-Theorems, das erstmals 1975 aufgestellt wurde, um bestimmte Lorentz-Transformationen in Beziehung zu setzen in der Raumzeit zu Transformationen in Ladung, Parität und Zeit. Darüber hinaus konnten sie mit der Methode den Übergang von schwach verschränkten Grundzuständen zu stark verschränkten angeregten Zuständen des Quantenmaterials sichtbar machen.

Teamleiter Peter zoller, der sowohl in Innsbruck als auch am IQOQI tätig ist, sagt, dass die Ergebnisse und die zu ihrer Gewinnung verwendeten Techniken – Quantenprotokolle, die auf einem Quantensimulator laufen – allgemein auf die Simulation von Quantenmaterialien anwendbar sind. Aus diesem Grund glaubt er, dass sie für die Quanteninformationswissenschaft und -technologie sowie die Quantensimulation von großer Bedeutung sind. „Für zukünftige Experimente würden wir dies gerne mit anderen Plattformen und komplizierteren/interessanteren Modellsystemen machen“, erzählt er Welt der Physik. „Unsere Werkzeuge und Techniken sind sehr allgemein gehalten.“

Marcello Dalmonte, ein Physiker am Abdus Salam International Center for Theoretical Physics in Italien, der nicht an der Forschung beteiligt war, nennt die Ergebnisse „einen wahren Bahnbrecher“. Seiner Ansicht nach bringt die Methode unser experimentell überprüfbares Verständnis der Verschränkung auf eine neue Ebene, indem sie ihre volle Komplexität enthüllt. Er glaubt auch, dass die Technik unser Verständnis der Beziehung zwischen Verschränkung und physikalischen Phänomenen verbessern wird, und ist begeistert von der Möglichkeit, sie zur Lösung wichtiger Fragen der theoretischen Physik einzusetzen, beispielsweise um ein besseres Verständnis der Operator-Verschränkungsstruktur für gemischte Zustände zu erreichen. Ein weiterer möglicher Bereich, den es zu erforschen gilt, könnte die gegenseitige Verflechtung zwischen Materiebrocken sein, obwohl Dalmonte hinzufügt, dass dies weitere Verbesserungen des Protokolls erfordern würde, einschließlich einer Erhöhung seiner Skalierbarkeit.

Die Forschung ist beschrieben in Natur.

Zeitstempel:

Mehr von Physik-Welt