Kwantumsimulator visualiseert grootschalige verstrengeling in materialen – Physics World

Kwantumsimulator visualiseert grootschalige verstrengeling in materialen – Physics World

Tijdstempel: 14 december 2023 5:07 uur

Artistieke illustratie van een vergrootglas dat boven een grijs oppervlak van een materiaal hangt. Felgekleurde deeltjes - rood, blauw, paars en oranje, die verschillende temperaturen vertegenwoordigen - springen uit het materiaal en gaan door het vergrootglas
Hoe verstrikt is het? De onderzoekers verkregen temperatuurprofielen van hun systeem waaruit blijkt dat deeltjes die sterk op elkaar inwerken ‘heet’ (rood) zijn en deeltjes die weinig op elkaar inwerken ‘koud’ zijn (blauw). Verstrengeling is het grootst wanneer de interacties sterk zijn. (Met dank aan: Helene Hainzer)

Natuurkundigen in Oostenrijk hebben een snelle en efficiënte manier gevonden om informatie te extraheren over de grootschalige verstrengelingsstructuur van een kwantummateriaal dankzij een 50 jaar oude stelling uit de kwantumveldentheorie. De nieuwe methode zou deuren kunnen openen op gebieden als kwantuminformatie, kwantumchemie of zelfs hoge-energiefysica.

Kwantumverstrengeling is een fenomeen waarbij de informatie die zich in een geheel van deeltjes bevindt, gecodeerd wordt in de onderlinge correlaties. Deze informatie kan niet worden verkregen door de deeltjes afzonderlijk te onderzoeken, en het is een essentieel kenmerk van de kwantummechanica, een kenmerk dat het kwantum duidelijk onderscheidt van de klassieke wereld. Verstrengeling is niet alleen van cruciaal belang voor kwantumcomputers en kwantumcommunicatie, maar heeft ook een grote invloed op de eigenschappen van een opkomende klasse van exotische materialen. Een dieper begrip ervan zou wetenschappers daarom kunnen helpen problemen in de materiaalkunde, de fysica van de gecondenseerde materie en daarbuiten te begrijpen en op te lossen.

Het probleem is dat het leren over de interne verstrengeling van een groot aantal verstrengelde deeltjes notoir moeilijk is, omdat de complexiteit van de correlaties exponentieel toeneemt met het aantal deeltjes. Deze complexiteit maakt het voor een klassieke computer onmogelijk om materialen gemaakt van dergelijke deeltjes te simuleren. Kwantumsimulators zijn beter toegerust voor deze taak, omdat ze dezelfde exponentiële complexiteit kunnen vertegenwoordigen als het doelmateriaal dat ze simuleren. Het extraheren van de verstrengelingseigenschappen van een materiaal met standaardtechnieken vereist echter nog steeds een onhandelbaar groot aantal metingen.

Quantum-simulator

In hun nieuwe, efficiëntere methode voor het evalueren van de sterkte van de verstrengeling van een systeem, interpreteerden onderzoekers van de Universiteit van Innsbruck en het nabijgelegen Instituut voor Quantum Optics and Quantum Information (IQOQI) de verstrengelingssterkte in termen van een lokale temperatuur. Terwijl sterk verstrengelde gebieden van het kwantummateriaal bij deze methode ‘heet’ lijken, lijken zwak verstrengelde gebieden ‘koud’. Cruciaal is dat de exacte vorm van dit lokaal variërende temperatuurveld wordt voorspeld door de kwantumveldentheorie, waardoor het team temperatuurprofielen efficiënter kan meten dan mogelijk was met eerdere methoden.

Om een ​​verstrengeld kwantummateriaal te simuleren, gebruikte het Innsbruck-IQOQI-team een ​​systeem van 51 40Ca+ ionen die op hun plaats worden gehouden in een vacuümkamer door het oscillerende elektrische veld van een apparaat dat lineaire Paul-trap wordt genoemd. Met deze opstelling kan elk ion individueel worden bestuurd en kan de kwantumtoestand met hoge nauwkeurigheid worden uitgelezen. De onderzoekers konden snel de juiste temperatuurprofielen bepalen door een feedbackloop te plaatsen tussen het systeem en een (klassieke) computer die voortdurend nieuwe profielen genereert en vergelijkt met de daadwerkelijke metingen in het experiment. Vervolgens voerden ze metingen uit om eigenschappen zoals de energie van het systeem te extraheren. Ten slotte onderzochten ze de interne structuur van de systeemtoestanden door de ‘temperatuur’-profielen te bestuderen, waardoor ze de verstrengeling konden bepalen.

Warme en koude streken

De temperatuurprofielen die het team heeft verkregen laten zien dat gebieden die sterk gecorreleerd zijn met omringende deeltjes als ‘heet’ (dat wil zeggen: sterk verstrengeld) kunnen worden beschouwd, en gebieden die zeer weinig met elkaar in wisselwerking staan, als ‘koud’ (zwak verstrengeld) kunnen worden beschouwd. De onderzoekers bevestigden ook voor het eerst voorspellingen van de kwantumveldentheorie zoals aangepast aan grondtoestanden (of lage temperatuurtoestanden) van materialen via de stelling van Bisognano-Wichmann, die voor het eerst naar voren werd gebracht in 1975 als een manier om bepaalde Lorentz-transformaties met elkaar in verband te brengen. in ruimtetijd tot transformaties in lading, pariteit en tijd. Bovendien stelde de methode hen in staat de overgang van zwak verstrengelde grondtoestanden naar sterk verstrengelde aangeslagen toestanden van het kwantummateriaal te visualiseren.

Teamleider peter zoller, die functies bekleedt bij zowel Innsbruck als de IQOQI, zegt dat de resultaten en de technieken – kwantumprotocollen die op een kwantumsimulator draaien – die worden gebruikt om deze te verkrijgen algemeen toepasbaar zijn op de simulatie van kwantummaterialen. Om deze reden is hij van mening dat ze van groot belang zijn voor de kwantuminformatiewetenschap en -technologie, evenals voor kwantumsimulatie. “Voor toekomstige experimenten zouden we dit graag willen doen met andere platforms en meer gecompliceerde/interessante modelsystemen”, vertelt hij. Natuurkunde wereld. “Onze tools en technieken zijn heel algemeen.”

Marcello Dalmonte, een natuurkundige van het Abdus Salam International Center for Theoretical Physics in Italië die niet betrokken was bij het onderzoek, noemt de resultaten “een echte baanbreker”. Volgens hem brengt de methode ons experimenteel testbare begrip van verstrengeling naar een nieuw niveau door de volledige complexiteit ervan te onthullen. Hij denkt ook dat de techniek ons ​​begrip van de relatie tussen verstrengeling en fysische verschijnselen zal verbeteren, en is enthousiast over de mogelijkheid om deze te gebruiken om belangrijke vragen in de theoretische natuurkunde op te lossen, zoals het bereiken van een beter begrip van de operator-verstrengelingsstructuur voor gemengde toestanden. Een ander mogelijk gebied om te onderzoeken zou de onderlinge verstrengeling tussen stukjes materie kunnen zijn, hoewel Dalmonte eraan toevoegt dat hiervoor verdere verbeteringen aan het protocol nodig zijn, waaronder het vergroten van de schaalbaarheid ervan.

Het onderzoek is beschreven in NATUUR.

Tijdstempel:

Meer van Natuurkunde wereld