A kvantumszimulátor az anyagokba való nagyszabású összefonódást jeleníti meg – Fizika világa

Az ausztriai fizikusok a kvantumtérelmélet egy 50 éves tételének köszönhetően gyors és hatékony módszert találtak a kvantumanyag nagyméretű összefonódási szerkezetére vonatkozó információk kinyerésére. Az új módszer ajtókat nyithat olyan területeken, mint a kvantuminformáció, a kvantumkémia vagy akár a nagyenergiájú fizika.

A kvantumösszefonódás olyan jelenség, amikor a részecskék halmazában lévő információ a részecskék közötti összefüggésekbe kódolódik. Ez az információ nem érhető el a részecskék egyenkénti szondázásával, és ez a kvantummechanika lényeges jellemzője, amely egyértelműen megkülönbözteti a kvantumot a klasszikus világtól. Amellett, hogy kulcsfontosságú a kvantumszámítás és a kvantumkommunikáció szempontjából, az összefonódás erősen befolyásolja az egzotikus anyagok feltörekvő osztályának tulajdonságait. Ennek mélyebb megértése ezért segítheti a tudósokat az anyagtudomány, a sűrített anyag fizika és azon túlmenő problémák megértésében és megoldásában.

A probléma az, hogy nagyszámú összegabalyodott részecske belső összefonódásának megismerése köztudottan nehéz, mivel a korrelációk összetettsége exponenciálisan nő a részecskék számával. Ez az összetettség lehetetlenné teszi a klasszikus számítógépek számára az ilyen részecskékből készült anyagok szimulálását. A kvantumszimulátorok jobban fel vannak szerelve erre a feladatra, mivel ugyanolyan exponenciális komplexitást tudnak képviselni, mint az általuk szimulált célanyag. Az anyag összefonódási tulajdonságainak standard technikákkal történő kinyerése azonban még mindig megoldhatatlanul sok mérést igényel.

Kvantum szimulátor

Az Innsbrucki Egyetem és a közeli Kvantumoptikai és Kvantuminformációs Intézet (IQOQI) kutatói új, hatékonyabb módszerükben a rendszerek összefonódásának erősségének értékelésére a helyi hőmérséklet függvényében értelmezték az összefonódás erősségét. Míg a kvantumanyag erősen összefonódott részei „forrónak” tűnnek ebben a módszerben, addig a gyengén összegabalyodott régiók „hidegnek” tűnnek. Lényeges, hogy ennek a lokálisan változó hőmérsékleti mezőnek a pontos formáját a kvantumtérelmélet jósolja meg, lehetővé téve a csapat számára, hogy hatékonyabban mérje a hőmérsékleti profilokat, mint a korábbi módszerekkel lehetséges volt.

Egy összegabalyodott kvantumanyag szimulálásához az Innsbruck-IQOQI csapat 51-es rendszert használt. ⁴⁰Ca⁺ ionok, amelyeket egy vákuumkamrában egy lineáris Paul-csapda nevű eszköz oszcilláló elektromos tere tartja a helyén. Ez a beállítás lehetővé teszi az egyes ionok egyedi szabályozását és a kvantumállapotának nagy pontosságú kiolvasását. A kutatók gyorsan meghatározhatták a megfelelő hőmérsékleti profilokat, ha visszacsatoló hurkot helyeznek el a rendszer és egy (klasszikus) számítógép között, amely folyamatosan új profilokat generál, és összehasonlítja azokat a kísérlet tényleges méréseivel. Ezután méréseket végeztek, hogy kivonják a rendszer tulajdonságait, például a rendszer energiáját. Végül a „hőmérséklet” profilok tanulmányozásával vizsgálták a rendszer állapotainak belső szerkezetét, amely lehetővé tette az összefonódás meghatározását.

Meleg és hideg régiók

A csapat által kapott hőmérsékleti profilok azt mutatják, hogy a környező részecskékkel erősen korreláló régiók „forrónak” tekinthetők (vagyis erősen összegabalyodtak), és azokat, amelyek nagyon kevéssé kölcsönhatásba lépnek, „hidegnek” (gyengén összegabalyodva). A kutatók első ízben erősítették meg a kvantumtérelmélet előrejelzéseit az anyagok alapállapotaihoz (vagy alacsony hőmérsékletű állapotaihoz) adaptált Bisognano-Wichmann-tételen keresztül, amelyet először 1975-ben terjesztettek elő bizonyos Lorentz-transzformációk összekapcsolásának módjaként. téridőben a töltés, a paritás és az idő átalakulásaihoz. Ezenkívül a módszer lehetővé tette számukra, hogy vizualizálják a kvantumanyag gyengén összefonódott alapállapotaiból az erősen összefonódott gerjesztett állapotokba való átmenetet.

Csapatvezető Zoller Péter, aki mind az Innsbruckban, mind az IQOQI-ban dolgozik, azt mondja, hogy a megszerzésükhöz használt eredmények és technikák – kvantumszimulátoron futó kvantumprotokollok – általában alkalmazhatók kvantumanyagok szimulációjára. Emiatt úgy véli, hogy nagy jelentőséggel bírnak a kvantuminformatikai tudomány és technológia, valamint a kvantumszimuláció szempontjából. „A jövőbeli kísérletekhez ezt más platformokkal és bonyolultabb/érdekesebb modellrendszerekkel is szeretnénk megtenni” – mondja. Fizika világ. "Eszközeink és technikáink nagyon általánosak."

Az összegabalyodás forróvá és rendetlenné válik

Marcello Dalmonte, az olaszországi Abdus Salam Nemzetközi Elméleti Fizikai Központ fizikusa, aki nem vett részt a kutatásban, az eredményeket „igazi úttörőnek” nevezi. Véleménye szerint a módszer az összefonódás kísérletileg tesztelhető megértését új szintre emeli azáltal, hogy feltárja annak teljes összetettségét. Úgy véli továbbá, hogy a technika javítani fogja az összefonódás és a fizikai jelenségek közötti kapcsolat megértését, és izgatja a lehetőség, hogy az elméleti fizika kulcsfontosságú kérdéseinek megoldására használhatjuk, mint például a kevert állapotok operátor-összefonódási struktúrájának jobb megértése. Egy másik lehetséges terület az anyagdarabok közötti kölcsönös összefonódás lehet, bár Dalmonte hozzáteszi, hogy ez további fejlesztéseket igényelne a protokollon, beleértve a méretezhetőségének növelését.

A kutatás leírása a Természet.

• SEO által támogatott tartalom és PR terjesztés. Erősödjön még ma.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Erősítse meg magát. Hozzáférés itt.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Felerősített tudás. Hozzáférés itt.
• PlatoESG. Carbon, CleanTech, Energia, Környezet, Nap, Hulladékgazdálkodás. Hozzáférés itt.
• PlatoHealth. Biotechnológiai és klinikai vizsgálatok intelligencia. Hozzáférés itt.
• Forrás: https://physicsworld.com/a/quantum-simulator-visualizes-large-scale-entanglement-in-materials/