Kvantni simulator vizualizira obsežno prepletenost materialov – Physics World

Fiziki v Avstriji so našli hiter in učinkovit način pridobivanja informacij o obsežni prepleteni strukturi kvantnega materiala zahvaljujoč 50 let staremu izreku iz kvantne teorije polja. Nova metoda bi lahko odprla vrata na področjih, kot so kvantne informacije, kvantna kemija ali celo fizika visokih energij.

Kvantna prepletenost je pojav, pri katerem so informacije, vsebovane v nizu delcev, kodirane v korelacijah med njimi. Do teh informacij ni mogoče dostopati s preiskovanjem delcev posamično in je bistvena značilnost kvantne mehanike, ki jasno razlikuje kvantni svet od klasičnega. Poleg tega, da je ključnega pomena za kvantno računalništvo in kvantno komunikacijo, prepletenost močno vpliva na lastnosti nastajajočega razreda eksotičnih materialov. Globlje razumevanje tega bi torej lahko pomagalo znanstvenikom razumeti in rešiti probleme v znanosti o materialih, fiziki kondenzirane snovi in ​​drugod.

Težava je v tem, da je učenje o notranji prepletenosti velikega števila zapletenih delcev znano težko, saj se kompleksnost korelacije eksponentno povečuje s številom delcev. Zaradi te kompleksnosti klasični računalnik ne more simulirati materialov iz takih delcev. Kvantni simulatorji so bolje opremljeni za to nalogo, saj lahko predstavljajo enako eksponentno kompleksnost kot ciljni material, ki ga simulirajo. Vendar ekstrahiranje lastnosti prepletanja materiala s standardnimi tehnikami še vedno zahteva neizmerno veliko število meritev.

Kvantni simulator

V svoji novi, učinkovitejši metodi za ocenjevanje moči prepletenosti sistema so raziskovalci z Univerze v Innsbrucku in bližnjega Inštituta za kvantno optiko in kvantne informacije (IQOQI) interpretirali moč prepletenosti v smislu lokalne temperature. Medtem ko so močno zapletene regije kvantnega materiala videti "vroče" pri tej metodi, so šibko zapletene regije videti "hladne". Bistveno je, da natančno obliko tega lokalno spremenljivega temperaturnega polja predvideva kvantna teorija polja, kar ekipi omogoča učinkovitejše merjenje temperaturnih profilov, kot je bilo mogoče s prejšnjimi metodami.

Za simulacijo zapletenega kvantnega materiala je ekipa Innsbruck-IQOQI uporabila sistem 51 ⁴⁰Ca⁺ ioni, ki jih znotraj vakuumske komore zadrži nihajoče električno polje naprave, imenovane linearna Paulova past. Ta nastavitev omogoča individualno krmiljenje vsakega iona in odčitavanje njegovega kvantnega stanja z visoko natančnostjo. Raziskovalci bi lahko hitro določili prave temperaturne profile s postavitvijo povratne zanke med sistemom in (klasičnim) računalnikom, ki nenehno generira nove profile in jih primerja z dejanskimi meritvami v eksperimentu. Nato so opravili meritve, da bi izluščili lastnosti, kot je energija sistema. Končno so raziskali notranjo strukturo stanj sistema s preučevanjem "temperaturnih" profilov, kar jim je omogočilo določitev prepletenosti.

Topla in hladna območja

Temperaturni profili, ki jih je ekipa pridobila, kažejo, da se regije, ki so močno povezane z okoliškimi delci, lahko štejejo za "vroče" (to je zelo zapletene), tiste, ki zelo malo komunicirajo, pa za "hladne" (šibko zapletene). Raziskovalci so tudi prvič potrdili napovedi kvantne teorije polja, prilagojene osnovnim stanjem (ali nizkotemperaturnim stanjem) materialov prek Bisognano-Wichmannovega izreka, ki je bil prvič predstavljen leta 1975 kot način povezovanja nekaterih Lorentzovih transformacij v prostor-času do transformacij v naboju, parnosti in času. Poleg tega jim je metoda omogočila vizualizacijo prehoda iz šibko zapletenih osnovnih stanj v močno zapletena vzbujena stanja kvantnega materiala.

Vodja ekipe Peter zoller, ki ima položaje v Innsbrucku in IQOQI, pravi, da so rezultati in tehnike – kvantni protokoli, ki se izvajajo na kvantnem simulatorju – uporabljeni za njihovo pridobitev, na splošno uporabni za simulacijo kvantnih materialov. Zaradi tega verjame, da so zelo pomembni za kvantno informacijsko znanost in tehnologijo ter kvantno simulacijo. "Za prihodnje eksperimente [bi] radi to naredili z drugimi platformami in bolj zapletenimi/zanimivimi modelnimi sistemi," pravi Svet fizike. "Naša orodja in tehnike so zelo splošne."

Zaplet postane vroč in neurejen

Marcello Dalmonte, fizik na mednarodnem centru za teoretično fiziko Abdus Salam v Italiji, ki ni bil vključen v raziskavo, rezultate imenuje "pravi prelomni". Po njegovem mnenju metoda prinaša naše eksperimentalno preverljivo razumevanje zapletenosti na novo raven z razkrivanjem njene celotne kompleksnosti. Prav tako meni, da bo tehnika izboljšala naše razumevanje razmerja med prepletenostjo in fizičnimi pojavi, in je navdušen nad možnostjo, da jo uporabimo za reševanje ključnih vprašanj v teoretični fiziki, kot je doseganje boljšega razumevanja strukture prepletenosti operaterja za mešana stanja. Drugo možno področje za raziskovanje bi lahko bila medsebojna prepletenost med kosi snovi, čeprav Dalmonte dodaja, da bi to zahtevalo nadaljnje izboljšave protokola, vključno s povečanjem njegove razširljivosti.

Raziskava je opisana v Narava.

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Opolnomočite se. Dostopite tukaj.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• PlatoESG. Ogljik, CleanTech, Energija, Okolje, sončna energija, Ravnanje z odpadki. Dostopite tukaj.
• PlatoHealth. Obveščanje o biotehnologiji in kliničnih preskušanjih. Dostopite tukaj.
• vir: https://physicsworld.com/a/quantum-simulator-visualizes-large-scale-entanglement-in-materials/