Ο κβαντικός προσομοιωτής οπτικοποιεί μεγάλης κλίμακας εμπλοκή σε υλικά - Physics World

Ο κβαντικός προσομοιωτής οπτικοποιεί μεγάλης κλίμακας εμπλοκή σε υλικά - Physics World

Χρονική σήμανση: 14 Δεκεμβρίου 2023 5:07 π.μ.

Εικονογράφηση καλλιτέχνη που δείχνει έναν μεγεθυντικό φακό αναρτημένο πάνω από μια γκρίζα επιφάνεια ενός υλικού. Σωματίδια με έντονα χρώματα - κόκκινο, μπλε, μοβ και πορτοκαλί, που αντιπροσωπεύουν διαφορετικές θερμοκρασίες - ξεπροβάλλουν από το υλικό και περνούν από τον μεγεθυντικό φακό
Πόσο μπλεγμένο είναι; Οι ερευνητές έλαβαν προφίλ θερμοκρασίας του συστήματός τους που δείχνουν ότι τα σωματίδια που αλληλεπιδρούν έντονα είναι «καυτά» (κόκκινα) και αυτά που αλληλεπιδρούν ελάχιστα είναι «κρύα» (μπλε). Η διαπλοκή είναι μεγαλύτερη όταν οι αλληλεπιδράσεις είναι ισχυρές. (Ευγενική προσφορά: Helene Hainzer)

Οι φυσικοί στην Αυστρία βρήκαν έναν γρήγορο και αποτελεσματικό τρόπο εξαγωγής πληροφοριών για τη δομή εμπλοκής μεγάλης κλίμακας ενός κβαντικού υλικού χάρη σε ένα θεώρημα 50 ετών από την κβαντική θεωρία πεδίου. Η νέα μέθοδος θα μπορούσε να ανοίξει πόρτες σε πεδία όπως η κβαντική πληροφορία, η κβαντική χημεία ή ακόμα και η φυσική υψηλής ενέργειας.

Η κβαντική εμπλοκή είναι ένα φαινόμενο κατά το οποίο οι πληροφορίες που περιέχονται σε ένα σύνολο σωματιδίων κωδικοποιούνται σε συσχετισμούς μεταξύ τους. Αυτή η πληροφορία δεν μπορεί να προσπελαστεί με την ανίχνευση των σωματιδίων μεμονωμένα, και είναι ένα ουσιαστικό χαρακτηριστικό της κβαντικής μηχανικής, κάτι που ξεχωρίζει σαφώς το κβαντικό από τον κλασικό κόσμο. Εκτός του ότι είναι κομβικής σημασίας για τους κβαντικούς υπολογιστές και την κβαντική επικοινωνία, η εμπλοκή επηρεάζει σε μεγάλο βαθμό τις ιδιότητες μιας αναδυόμενης κατηγορίας εξωτικών υλικών. Επομένως, μια βαθύτερη κατανόησή του θα μπορούσε να βοηθήσει τους επιστήμονες να κατανοήσουν και να λύσουν προβλήματα στην επιστήμη των υλικών, στη φυσική της συμπυκνωμένης ύλης και όχι μόνο.

Το πρόβλημα είναι ότι η εκμάθηση για την εσωτερική εμπλοκή ενός μεγάλου αριθμού εμπλεκόμενων σωματιδίων είναι εμφανώς δύσκολη, καθώς η πολυπλοκότητα των συσχετισμών αυξάνεται εκθετικά με τον αριθμό των σωματιδίων. Αυτή η πολυπλοκότητα καθιστά αδύνατο για έναν κλασικό υπολογιστή να προσομοιώσει υλικά που παράγονται από τέτοια σωματίδια. Οι κβαντικοί προσομοιωτές είναι καλύτερα εξοπλισμένοι για αυτήν την εργασία, καθώς μπορούν να αντιπροσωπεύουν την ίδια εκθετική πολυπλοκότητα με το υλικό στόχο που προσομοιώνουν. Ωστόσο, η εξαγωγή των ιδιοτήτων εμπλοκής ενός υλικού με τυπικές τεχνικές εξακολουθεί να απαιτεί έναν εξαιρετικά μεγάλο αριθμό μετρήσεων.

Κβαντικός προσομοιωτής

Στη νέα, πιο αποτελεσματική μέθοδο τους για την αξιολόγηση της ισχύος της εμπλοκής ενός συστήματος, ερευνητές από το Πανεπιστήμιο του Ίνσμπρουκ και το κοντινό Ινστιτούτο Κβαντικής Οπτικής και Κβαντικής Πληροφορίας (IQOQI) ερμήνευσαν την ισχύ της εμπλοκής με όρους τοπικής θερμοκρασίας. Ενώ οι πολύ μπερδεμένες περιοχές του κβαντικού υλικού φαίνονται «καυτές» σε αυτή τη μέθοδο, οι ασθενώς μπερδεμένες περιοχές εμφανίζονται «ψυχρές». Είναι σημαντικό ότι η ακριβής μορφή αυτού του τοπικά μεταβαλλόμενου πεδίου θερμοκρασίας προβλέπεται από την κβαντική θεωρία πεδίου, επιτρέποντας στην ομάδα να μετρήσει τα προφίλ θερμοκρασίας πιο αποτελεσματικά από ό,τι ήταν δυνατό με προηγούμενες μεθόδους.

Για να προσομοιώσει ένα μπλεγμένο κβαντικό υλικό, η ομάδα του Innsbruck-IQOQI χρησιμοποίησε ένα σύστημα 51 40Ca+ ιόντα που συγκρατούνται στη θέση τους μέσα σε έναν θάλαμο κενού από το ταλαντούμενο ηλεκτρικό πεδίο μιας συσκευής που ονομάζεται γραμμική παγίδα Paul. Αυτή η ρύθμιση επιτρέπει σε κάθε ιόν να ελέγχεται ξεχωριστά και να διαβάζεται η κβαντική του κατάσταση με υψηλή ακρίβεια. Οι ερευνητές θα μπορούσαν να προσδιορίσουν γρήγορα τα σωστά προφίλ θερμοκρασίας τοποθετώντας έναν βρόχο ανάδρασης μεταξύ του συστήματος και ενός (κλασικού) υπολογιστή που δημιουργεί συνεχώς νέα προφίλ και τα συγκρίνει με τις πραγματικές μετρήσεις στο πείραμα. Στη συνέχεια έκαναν μετρήσεις για να εξαγάγουν ιδιότητες όπως η ενέργεια του συστήματος. Τέλος, ερεύνησαν την εσωτερική δομή των καταστάσεων του συστήματος μελετώντας τα προφίλ «θερμοκρασίας», τα οποία τους επέτρεψαν να προσδιορίσουν την εμπλοκή.

Ζεστές και ψυχρές περιοχές

Τα προφίλ θερμοκρασίας που έλαβε η ομάδα δείχνουν ότι οι περιοχές που συσχετίζονται ισχυρά με τα γύρω σωματίδια μπορούν να θεωρηθούν «καυτές» (δηλαδή πολύ μπερδεμένες) και αυτές που αλληλεπιδρούν πολύ λίγο μπορούν να θεωρηθούν «ψυχρές» (ασθενώς μπλεγμένες). Οι ερευνητές επιβεβαίωσαν επίσης, για πρώτη φορά, προβλέψεις της κβαντικής θεωρίας πεδίου ως προσαρμοσμένες σε θεμελιώδεις καταστάσεις (ή καταστάσεις χαμηλής θερμοκρασίας) υλικών μέσω του θεωρήματος Bisognano-Wichmann, το οποίο παρουσιάστηκε για πρώτη φορά το 1975 ως τρόπος συσχέτισης ορισμένων μετασχηματισμών Lorentz. στον χωροχρόνο σε μετασχηματισμούς που είναι υπεύθυνοι, ισοτιμία και χρόνο. Επιπλέον, η μέθοδος τους επέτρεψε να οπτικοποιήσουν τη διασταύρωση από ασθενώς εμπλεκόμενες βασικές καταστάσεις σε έντονα μπερδεμένες διεγερμένες καταστάσεις του κβαντικού υλικού.

Αρχηγός ομάδας Πίτερ Ζόλερ, ο οποίος κατέχει θέσεις τόσο στο Innsbruck όσο και στο IQOQI, λέει ότι τα αποτελέσματα και οι τεχνικές - κβαντικά πρωτόκολλα που τρέχουν σε έναν κβαντικό προσομοιωτή - που χρησιμοποιούνται για την απόκτησή τους ισχύουν γενικά για την προσομοίωση κβαντικών υλικών. Για το λόγο αυτό, πιστεύει ότι έχουν ευρεία σημασία για την κβαντική επιστήμη και τεχνολογία πληροφοριών καθώς και για την κβαντική προσομοίωση. «Για μελλοντικά πειράματα [θα θέλαμε] να το κάνουμε αυτό με άλλες πλατφόρμες και πιο περίπλοκα/ενδιαφέροντα συστήματα μοντέλων», λέει Κόσμος Φυσικής. "Τα εργαλεία και οι τεχνικές μας είναι πολύ γενικές."

Μαρτσέλο Νταλμόντε, ένας φυσικός στο Διεθνές Κέντρο Θεωρητικής Φυσικής Abdus Salam στην Ιταλία που δεν συμμετείχε στην έρευνα, αποκαλεί τα αποτελέσματα «πραγματικά πρωτοποριακά». Κατά την άποψή του, η μέθοδος φέρνει την πειραματικά δοκιμασμένη κατανόησή μας για τη διαπλοκή σε ένα νέο επίπεδο αποκαλύπτοντας την πλήρη πολυπλοκότητά της. Πιστεύει επίσης ότι η τεχνική θα βελτιώσει την κατανόησή μας για τη σχέση μεταξύ εμπλοκής και φυσικών φαινομένων και είναι ενθουσιασμένος από τη δυνατότητα χρήσης της για την επίλυση βασικών ερωτημάτων στη θεωρητική φυσική, όπως η καλύτερη κατανόηση της δομής εμπλοκής τελεστή για μικτές καταστάσεις. Ένας άλλος πιθανός τομέας για εξερεύνηση μπορεί να είναι η αμοιβαία εμπλοκή μεταξύ κομματιών ύλης, αν και ο Dalmonte προσθέτει ότι αυτό θα απαιτούσε περαιτέρω βελτιώσεις στο πρωτόκολλο, συμπεριλαμβανομένης της ενίσχυσης της κλιμάκωσής του.

Η έρευνα περιγράφεται στο Φύση.

Σφραγίδα ώρας:

Περισσότερα από Κόσμος Φυσικής