量子シミュレーターは物質の大規模なもつれを視覚化 – Physics World

オーストリアの物理学者は、場の量子理論の 50 年前の定理のおかげで、量子材料の大規模なもつれ構造に関する情報を迅速かつ効率的に抽出する方法を発見しました。新しい手法は、量子情報、量子化学、さらには高エネルギー物理学などの分野に扉を開く可能性がある。

量子もつれは、粒子の集合に含まれる情報が粒子間の相関関係で符号化される現象です。この情報は、粒子を個別に調査することによってはアクセスできません。また、これは量子力学の重要な特徴であり、量子を古典的な世界から明確に区別する特徴です。量子もつれは、量子コンピューティングと量子通信にとって極めて重要であるだけでなく、新たなクラスのエキゾチック材料の特性に大きな影響を与えます。したがって、それをより深く理解することは、科学者が材料科学、凝縮物性物理学などの問題を理解し、解決するのに役立つ可能性があります。

問題は、粒子の数に応じて相関の複雑さが指数関数的に増加するため、絡み合った多数の粒子の内部もつれについて学習するのが非常に難しいことです。この複雑さにより、古典的なコンピューターではそのような粒子から作られた材料をシミュレートすることが不可能になります。量子シミュレータは、シミュレートしているターゲット物質と同じ指数関数的な複雑さを表現できるため、このタスクに適しています。しかし、標準的な技術で材料のもつれ特性を抽出するには、依然として手に負えないほど多くの測定が必要です。

量子シミュレータ

インスブルック大学と近くの量子光学・量子情報研究所 (IQOQI) の研究者らは、システムのもつれの強度を評価するための新しい、より効率的な方法で、局所温度の観点からもつれの強度を解釈しました。この方法では、量子材料の高度に絡み合った領域は「ホット」に見えますが、弱く絡み合った領域は「コールド」に見えます。重要なのは、この局所的に変化する温度場の正確な形状が場の量子論によって予測され、チームが以前の方法よりも効率的に温度プロファイルを測定できるようになったということです。

もつれ量子物質をシミュレートするために、インスブルック-IQOQI チームは 51 個のシステムを使用しました。 ⁴⁰Ca⁺ イオンは、リニアポールトラップと呼ばれるデバイスの振動電場によって真空チャンバー内の所定の位置に保持されます。この設定により、各イオンを個別に制御し、その量子状態を高精度で読み取ることができます。研究者らは、システムと、常に新しいプロファイルを生成し、実験での実際の測定値と比較する (古典的な) コンピューターとの間にフィードバック ループを配置することで、適切な温度プロファイルを迅速に決定することができました。次に、システムのエネルギーなどの特性を抽出するための測定を行いました。最後に、彼らは「温度」プロファイルを研究することによってシステムの状態の内部構造を調査し、それによってもつれを判断できるようになりました。

暑い地域と寒い地域

研究チームが得た温度プロファイルは、周囲の粒子と強い相関がある領域は「熱い」(つまり、高度に絡み合っている) と見なされ、相互作用がほとんどない領域は「冷たい」(弱く絡み合っている) と考えられることを示しています。研究者らはまた、特定のローレンツ変換を関連付ける方法として 1975 年に初めて提唱されたビソニャノ・ウィヒマン定理を介して、場の量子論が物質の基底状態 (または低温状態) に適応するという予測を初めて確認した。時空において、担当する変換、等価性、時間へ。さらに、この方法により、量子材料の弱く絡み合った基底状態から強く絡み合った励起状態へのクロスオーバーを視覚化することができました。

チームリーダー ピーター・ゾラーインスブルックとIQOQIの両方で役職を務める同氏は、結果とその取得に使用された技術（量子シミュレータ上で実行される量子プロトコル）は、量子材料のシミュレーションに一般的に適用できると述べている。このため、彼はそれらが量子情報科学技術および量子シミュレーションにとって広範な重要性を持っていると信じています。 「将来の実験では、他のプラットフォームやより複雑で興味深いモデル システムを使用してこれを実行したいと考えています」と彼は言います。 フィジックスワールド。 「私たちのツールと技術は非常に一般的です。」

絡みが熱くてめちゃくちゃになる

マルチェロ・ダルモンテイタリアのアブドゥス・サラーム国際理論物理学センターの物理学者で、この研究には関与していないが、この結果は「真の画期的なもの」であると述べている。彼の見解では、この方法は、もつれの複雑さを完全に明らかにすることで、実験的に検証可能なもつれの理解を新たなレベルに引き上げます。彼はまた、この技術がエンタングルメントと物理現象の関係についての理解を改善すると考えており、混合状態の作用素エンタングルメント構造のより深い理解に達するなど、理論物理学における重要な問題を解決するためにこの技術を使用できる可能性に興奮しています。探究すべきもう一つの可能​​性のある領域は、物質の塊間の相互のもつれかもしれないが、これにはスケーラビリティの向上を含め、プロトコルのさらなる改善が必要になるだろうとダルモンテ氏は付け加えた。

研究はで説明されています 自然.

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• 情報源： https://physicsworld.com/a/quantum-simulator-visualizes-large-scale-entanglement-in-materials/