Simulatorul cuantic vizualizează încurcarea la scară largă în materiale – Physics World

Simulatorul cuantic vizualizează încurcarea la scară largă în materiale – Physics World

Marca temporală: 14 decembrie 2023, ora 5:07

Ilustrația artistului care arată o lupă suspendată peste o suprafață gri a unui material. Particule viu colorate - roșu, albastru, violet și portocaliu, reprezentând diferite temperaturi - ies din material și trec prin lupă
Cât de încurcat este? Cercetătorii au obținut profile de temperatură ale sistemului lor, care arată că particulele care interacționează puternic sunt „fierbinți” (roșii), iar cele care interacționează puțin sunt „reci” (albastre). Încurcarea este cea mai mare atunci când interacțiunile sunt puternice. (Cu amabilitatea: Helene Hainzer)

Fizicienii austrieci au găsit o modalitate rapidă și eficientă de a extrage informații despre structura de încrucișare la scară largă a unui material cuantic datorită unei teoreme vechi de 50 de ani din teoria câmpului cuantic. Noua metodă ar putea deschide porți în domenii precum informația cuantică, chimia cuantică sau chiar fizica energiilor înalte.

Entanglementul cuantic este un fenomen prin care informația conținută într-un ansamblu de particule este codificată în corelații între ele. Această informație nu poate fi accesată prin sondarea individuală a particulelor și este o caracteristică esențială a mecanicii cuantice, una care distinge clar cuanta de lumea clasică. Pe lângă faptul că este esențială pentru calculul cuantic și comunicarea cuantică, încurcarea influențează puternic proprietățile unei clase emergente de materiale exotice. Prin urmare, o înțelegere mai profundă a acesteia ar putea ajuta oamenii de știință să înțeleagă și să rezolve problemele din știința materialelor, fizica materiei condensate și nu numai.

Problema este că învățarea despre încurcarea internă a unui număr mare de particule încurcate este notoriu de grea, deoarece complexitatea corelațiilor crește exponențial cu numărul de particule. Această complexitate face imposibil ca un computer clasic să simuleze materialele realizate din astfel de particule. Simulatoarele cuantice sunt mai bine echipate pentru această sarcină, deoarece pot reprezenta aceeași complexitate exponențială ca și materialul țintă pe care îl simulează. Cu toate acestea, extragerea proprietăților de încurcare ale unui material cu tehnici standard necesită încă un număr insolubil de mare de măsurători.

Simulator cuantic

În noua lor metodă, mai eficientă, de evaluare a rezistenței încrucișării unui sistem, cercetătorii de la Universitatea din Innsbruck și de la Institutul de Optică Cuantică și Informații Cuantice (IQOQI) din apropiere au interpretat puterea de încurcătură în termeni de temperatură locală. În timp ce regiunile foarte încurcate ale materialului cuantic par „fierbinți” în această metodă, regiunile slab încurcate par „reci”. În mod esențial, forma exactă a acestui câmp de temperatură care variază local este prezisă de teoria câmpului cuantic, permițând echipei să măsoare profilele de temperatură mai eficient decât a fost posibil cu metodele anterioare.

Pentru a simula un material cuantic încurcat, echipa Innsbruck-IQOQI a folosit un sistem de 51 40Ca+ ioni menținuți în loc în interiorul unei camere cu vid de câmpul electric oscilant al unui dispozitiv numit capcană liniară Paul. Această configurație permite fiecărui ion să fie controlat individual, iar starea sa cuantică să fie citită cu mare precizie. Cercetătorii ar putea determina rapid profilele potrivite de temperatură prin plasarea unei bucle de feedback între sistem și un computer (clasic) care generează în mod constant noi profile și le compară cu măsurătorile reale din experiment. Apoi au făcut măsurători pentru a extrage proprietăți precum energia sistemului. În cele din urmă, au investigat structura internă a stărilor sistemului prin studierea profilurilor de „temperatură”, ceea ce le-a permis să determine încurcarea.

Regiunile calde și reci

Profilurile de temperatură pe care le-a obținut echipa arată că regiunile care sunt puternic corelate cu particulele din jur pot fi considerate „fierbinte” (adică foarte încurcate) iar cele care interacționează foarte puțin pot fi considerate „reci” (slab încurcate). Cercetătorii au confirmat, de asemenea, pentru prima dată, predicțiile teoriei cuantice a câmpului ca fiind adaptate la stările fundamentale (sau stările de temperatură scăzută) ale materialelor prin teorema Bisognano-Wichmann, care a fost prezentată pentru prima dată în 1975 ca o modalitate de a lega anumite transformări Lorentz. în spațiu-timp la transformări în sarcină, paritate și timp. În plus, metoda le-a permis să vizualizeze trecerea de la stările fundamentale slab încurcate la stările excitate puternic încurcate ale materialului cuantic.

Conducator de echipa Peter zoller, care deține poziții atât la Innsbruck, cât și la IQOQI, spune că rezultatele și tehnicile – protocoale cuantice care rulează pe un simulator cuantic – folosite pentru a le obține sunt în general aplicabile simulării materialelor cuantice. Din acest motiv, el consideră că acestea au o importanță largă pentru știința și tehnologia informației cuantice, precum și pentru simularea cuantică. „Pentru experimente viitoare, [am dori] să facem acest lucru cu alte platforme și sisteme model mai complicate/interesante”, spune el. Lumea fizicii. „Uneltele și tehnicile noastre sunt foarte generale.”

Marcello Dalmonte, un fizician la Centrul Internațional de Fizică Teoretică Abdus Salam din Italia, care nu a fost implicat în cercetare, numește rezultatele „un adevărat pionierat”. În opinia sa, metoda aduce înțelegerea noastră testabilă experimental a încurcăturii la un nou nivel, dezvăluind întreaga sa complexitate. El crede, de asemenea, că tehnica ne va îmbunătăți înțelegerea relației dintre întanglement și fenomenele fizice și este încântat de posibilitatea de a o folosi pentru a rezolva întrebări cheie din fizica teoretică, cum ar fi atingerea unei mai bune înțelegeri a structurii de încurcare a operatorului pentru stări mixte. Un alt domeniu posibil de explorat ar putea fi încurcarea reciprocă între bucăți de materie, deși Dalmonte adaugă că acest lucru ar necesita îmbunătățiri suplimentare ale protocolului, inclusiv creșterea scalabilității acestuia.

Cercetarea este descrisă în Natură.

Timestamp-ul:

Mai mult de la Lumea fizicii