Kvantesimulator visualiserer storskala sammenfiltring i materialer – Physics World

Fysikere i Østerrike har funnet en rask og effektiv måte å trekke ut informasjon om et kvantemateriales storskala sammenfiltringsstruktur takket være et 50 år gammelt teorem fra kvantefeltteori. Den nye metoden kan åpne dører innen felt som kvanteinformasjon, kvantekjemi eller til og med høyenergifysikk.

Kvantesammenfiltring er et fenomen der informasjonen i et ensemble av partikler er kodet i korrelasjoner mellom dem. Denne informasjonen kan ikke nås ved å undersøke partiklene individuelt, og det er et essensielt trekk ved kvantemekanikk, en som klart skiller kvante fra den klassiske verden. I tillegg til å være sentral for kvanteberegning og kvantekommunikasjon, påvirker sammenfiltring i stor grad egenskapene til en voksende klasse av eksotiske materialer. En dypere forståelse av det kan derfor hjelpe forskere til å forstå og løse problemer innen materialvitenskap, kondensert materiefysikk og videre.

Problemet er at det er notorisk vanskelig å lære om den interne sammenfiltringen av et stort antall sammenfiltrede partikler, siden kompleksiteten til korrelasjonene øker eksponentielt med antall partikler. Denne kompleksiteten gjør det umulig for en klassisk datamaskin å simulere materialer laget av slike partikler. Kvantesimulatorer er bedre rustet for denne oppgaven, siden de kan representere den samme eksponentielle kompleksiteten som målmaterialet de simulerer. Å trekke ut sammenfiltringsegenskapene til et materiale med standardteknikker krever imidlertid fortsatt et uhåndterlig stort antall målinger.

Kvantesimulator

I deres nye, mer effektive metode for å evaluere styrken til et systems sammenfiltring, tolket forskere fra University of Innsbruck og det nærliggende Institute of Quantum Optics and Quantum Information (IQOQI) sammenfiltringsstyrke i form av en lokal temperatur. Mens svært sammenfiltrede områder av kvantematerialet virker "varme" i denne metoden, virker svakt sammenfiltrede områder "kalde". Avgjørende er den nøyaktige formen til dette lokalt varierende temperaturfeltet forutsagt av kvantefeltteori, noe som gjør at teamet kan måle temperaturprofiler mer effektivt enn det som var mulig med tidligere metoder.

For å simulere et sammenfiltret kvantemateriale brukte Innsbruck-IQOQI-teamet et system med 51 ⁴⁰Ca⁺ ioner holdt på plass inne i et vakuumkammer av det oscillerende elektriske feltet til en enhet kalt lineær Paul-felle. Dette oppsettet gjør at hvert ion kan kontrolleres individuelt og dets kvantetilstand leses ut med høy nøyaktighet. Forskerne kunne raskt fastslå de riktige temperaturprofilene ved å plassere en tilbakemeldingssløyfe mellom systemet og en (klassisk) datamaskin som stadig genererer nye profiler og sammenligner dem med de faktiske målingene i eksperimentet. De foretok deretter målinger for å trekke ut egenskaper som systemets energi. Til slutt undersøkte de den interne strukturen til systemets tilstander ved å studere "temperatur"-profilene, noe som gjorde dem i stand til å bestemme sammenfiltringen.

Varme og kalde områder

Temperaturprofilene teamet innhentet viser at områder som er sterkt korrelert med omgivende partikler kan betraktes som "varme" (det vil si sterkt sammenfiltret) og de som samhandler veldig lite kan betraktes som "kalde" (svakt sammenfiltret). Forskerne bekreftet også, for første gang, spådommer om kvantefeltteori tilpasset grunntilstander (eller lavtemperaturtilstander) av materialer via Bisognano-Wichmann-teoremet, som først ble fremsatt i 1975 som en måte å relatere visse Lorentz-transformasjoner i romtid til transformasjoner i ladning, paritet og tid. I tillegg gjorde metoden dem i stand til å visualisere overgangen fra svakt sammenfiltrede grunntilstander til sterkt sammenfiltrede eksiterte tilstander av kvantematerialet.

Lagleder Peter zoller, som har stillinger både i Innsbruck og IQOQI, sier at resultatene og teknikkene – kvanteprotokoller som kjører på en kvantesimulator – som brukes for å oppnå dem, er generelt anvendelige for simulering av kvantematerialer. Av denne grunn mener han at de har stor betydning for kvanteinformasjonsvitenskap og -teknologi så vel som kvantesimulering. "For fremtidige eksperimenter [vil vi] gjøre dette med andre plattformer og mer kompliserte/interessante modellsystemer," forteller han Fysikkverden. "Våre verktøy og teknikker er veldig generelle."

Forviklinger blir varmt og rotete

Marcello Dalmonte, en fysiker ved Abdus Salam International Center for Theoretical Physics i Italia som ikke var involvert i forskningen, kaller resultatene "en sann banebryter". Etter hans syn bringer metoden vår eksperimentelt testbare forståelse av sammenfiltring til et nytt nivå ved å avsløre dens fulle kompleksitet. Han tror også teknikken vil forbedre vår forståelse av forholdet mellom sammenfiltring og fysiske fenomener, og er begeistret over muligheten for å bruke den til å løse nøkkelspørsmål innen teoretisk fysikk, for eksempel å oppnå en bedre forståelse av operatørens sammenfiltringsstruktur for blandede tilstander. Et annet mulig område å utforske kan være den gjensidige sammenfiltringen mellom materiebiter, selv om Dalmonte legger til at dette vil kreve ytterligere forbedringer av protokollen, inkludert å øke skalerbarheten.

Forskningen er beskrevet i Natur.

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk deg selv. Tilgang her.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• PlatoESG. Karbon, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Avfallshåndtering. Tilgang her.
• PlatoHelse. Bioteknologisk og klinisk etterretning. Tilgang her.
• kilde: https://physicsworld.com/a/quantum-simulator-visualizes-large-scale-entanglement-in-materials/