Kvanttisimulaattori visualisoi laajamittaisen sotkeutumisen materiaaleihin – Physics World

Itävallan fyysikot ovat löytäneet nopean ja tehokkaan tavan poimia tietoa kvanttimateriaalin laajamittaisesta takertumisrakenteesta 50 vuotta vanhan kvanttikenttäteorian lauseen ansiosta. Uusi menetelmä voisi avata ovia esimerkiksi kvanttiinformaation, kvanttikemian tai jopa korkeaenergisen fysiikan aloilla.

Kvanttikietoutuminen on ilmiö, jossa hiukkasjoukon sisältämä informaatio koodautuu niiden välisiin korrelaatioihin. Tähän tietoon ei pääse käsiksi tutkimalla hiukkasia yksitellen, ja se on kvanttimekaniikan olennainen piirre, joka erottaa kvantin selvästi klassisesta maailmasta. Sen lisäksi, että sotkeutuminen on keskeinen kvanttilaskennan ja kvanttiviestinnän kannalta, se vaikuttaa voimakkaasti eksoottisten materiaalien nousevan luokan ominaisuuksiin. Sen syvempi ymmärtäminen voisi siksi auttaa tutkijoita ymmärtämään ja ratkaisemaan materiaalitieteen, tiivistetyn aineen fysiikan ja muiden asioiden ongelmia.

Ongelmana on, että suuren sotkeutuneiden hiukkasten sisäisen sotkeutumisen oppiminen on tunnetusti vaikeaa, koska korrelaatioiden monimutkaisuus kasvaa eksponentiaalisesti hiukkasten määrän myötä. Tämä monimutkaisuus tekee klassisen tietokoneen mahdottomaksi simuloida tällaisista hiukkasista valmistettuja materiaaleja. Kvanttisimulaattorit ovat paremmin varusteltuja tähän tehtävään, koska ne voivat edustaa samaa eksponentiaalista monimutkaisuutta kuin simuloitava kohdemateriaali. Materiaalin kietoutumisominaisuuksien erottaminen standarditekniikoilla vaatii kuitenkin edelleen käsittämättömän suuren määrän mittauksia.

Kvanttisimulaattori

Innsbruckin yliopiston ja läheisen kvanttioptiikan ja kvanttiinformaation instituutin (IQOQI) tutkijat uudessa, tehokkaammassa menetelmässä järjestelmän kietoutumisen voimakkuuden arvioimiseksi tulkitsivat takertumisen voimakkuuden paikallisen lämpötilan mukaan. Vaikka kvanttimateriaalin erittäin sotkeutuneet alueet näyttävät tässä menetelmässä "kuumailta", heikosti sotkeutuneet alueet näyttävät "kylmiltä". Ratkaisevaa on, että tämän paikallisesti vaihtelevan lämpötilakentän tarkka muoto ennustetaan kvanttikenttäteorian avulla, minkä ansiosta ryhmä voi mitata lämpötilaprofiileja tehokkaammin kuin aiemmilla menetelmillä oli mahdollista.

Simuloikseen kietoutunutta kvanttimateriaalia Innsbruck-IQOQI-tiimi käytti 51 systeemiä. ⁴⁰Ca⁺ ionit, joita pidetään paikoillaan tyhjiökammiossa lineaariseksi Paul trap -nimisen laitteen värähtelevän sähkökentän avulla. Tämä asetus mahdollistaa jokaisen ionin yksilöllisen ohjauksen ja sen kvanttitilan lukemisen suurella tarkkuudella. Tutkijat pystyivät nopeasti määrittämään oikeat lämpötilaprofiilit asettamalla takaisinkytkentäsilmukan järjestelmän ja (klassisen) tietokoneen väliin, joka luo jatkuvasti uusia profiileja ja vertaa niitä kokeen todellisiin mittauksiin. Sitten he tekivät mittauksia ominaisuuksien, kuten järjestelmän energian, erottamiseksi. Lopuksi he tutkivat järjestelmän tilojen sisäistä rakennetta tutkimalla "lämpötila"-profiileja, joiden avulla he pystyivät määrittämään sotkeutumisen.

Kuumat ja kylmät alueet

Ryhmän saamat lämpötilaprofiilit osoittavat, että alueita, jotka korreloivat voimakkaasti ympäröivien hiukkasten kanssa, voidaan pitää "kuumina" (eli erittäin sotkeutuneina) ja niitä, jotka ovat hyvin vähän vuorovaikutuksessa, voidaan pitää "kylminä" (heikosti sotkeutuneina). Tutkijat vahvistivat myös ensimmäistä kertaa kvanttikenttäteorian ennusteet, jotka on mukautettu materiaalien perustiloihin (tai matalan lämpötilan tiloihin) Bisognano-Wichmann-lauseen avulla, joka esitettiin ensimmäisen kerran vuonna 1975 tapana yhdistää tiettyjä Lorentzin muunnoksia. aika-avaruudessa varauksen, pariteetin ja ajan muunnoksiin. Lisäksi menetelmän avulla he pystyivät visualisoimaan siirtymisen kvanttimateriaalin heikosti kietoutuneista perustiloista vahvasti kietoutuneisiin viritystiloihin.

Tiimin johtaja Peter zoller, joka työskentelee sekä Innsbruckissa että IQOQI:ssa, sanoo, että niiden saamiseksi käytetyt tulokset ja tekniikat – kvanttisimulaattorilla ajettavat kvanttiprotokollat ​​– soveltuvat yleisesti kvanttimateriaalien simulointiin. Tästä syystä hän uskoo, että niillä on suuri merkitys kvanttitietotieteelle ja -teknologialle sekä kvanttisimulaatiolle. "Tulevia kokeiluja varten haluaisimme tehdä tämän muiden alustojen ja monimutkaisempien/kiinnostavampien mallijärjestelmien kanssa", hän kertoo. Fysiikan maailma. "Työkalumme ja tekniikkamme ovat hyvin yleisiä."

Sotkeutuminen käy kuumaksi ja sotkuiseksi

Marcello Dalmonte, italialaisen Abdus Salamin kansainvälisen teoreettisen fysiikan keskuksen fyysikko, joka ei ollut mukana tutkimuksessa, kutsuu tuloksia "todelliseksi uraauurtavaksi". Hänen mukaansa menetelmä tuo kokeellisesti testattavan ymmärryksemme takertumisesta uudelle tasolle paljastamalla sen täyden monimutkaisuuden. Hän uskoo myös, että tekniikka parantaa ymmärrystämme sotkeutumisen ja fysikaalisten ilmiöiden välisestä suhteesta, ja on innoissaan mahdollisuudesta käyttää sitä ratkaisemaan teoreettisen fysiikan keskeisiä kysymyksiä, kuten saavuttamaan parempi käsitys operaattorin kietoutumisrakenteesta sekatiloissa. Toinen mahdollinen tutkittava alue voisi olla ainepalojen välinen keskinäinen sotkeutuminen, vaikka Dalmonte lisää, että tämä vaatisi lisäparannuksia protokollaan, mukaan lukien sen skaalautuvuuden parantaminen.

Tutkimusta kuvataan luonto.

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• PlatoData.Network Vertical Generatiivinen Ai. Vahvista itseäsi. Pääsy tästä.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• PlatoESG. hiili, CleanTech, energia, ympäristö, Aurinko, Jätehuolto. Pääsy tästä.
• PlatonHealth. Biotekniikan ja kliinisten kokeiden älykkyys. Pääsy tästä.
• Lähde: https://physicsworld.com/a/quantum-simulator-visualizes-large-scale-entanglement-in-materials/