เครื่องจำลองควอนตัมแสดงภาพการพัวพันขนาดใหญ่ในวัสดุ - Physics World

เครื่องจำลองควอนตัมแสดงภาพการพัวพันขนาดใหญ่ในวัสดุ - Physics World

Time Stamp: 14 ธันวาคม 2023 5:07 น.

ภาพประกอบของศิลปินแสดงแว่นขยายที่แขวนอยู่เหนือพื้นผิวสีเทาของวัสดุ อนุภาคที่มีสีสดใส สีแดง น้ำเงิน สีม่วง และสีส้ม ซึ่งแสดงถึงอุณหภูมิที่แตกต่างกัน กำลังโผล่ออกมาจากวัสดุและผ่านแว่นขยาย
ยุ่งวุ่นวายแค่ไหน? นักวิจัยได้รับโปรไฟล์อุณหภูมิของระบบซึ่งแสดงให้เห็นว่าอนุภาคที่มีปฏิกิริยารุนแรงจะ "ร้อน" (สีแดง) และอนุภาคที่มีปฏิกิริยาน้อยจะ "เย็น" (สีน้ำเงิน) ความพัวพันจะยิ่งใหญ่ที่สุดเมื่อมีปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรง (เอื้อเฟื้อโดย: เฮลีน ไฮเซอร์)

นักฟิสิกส์ในออสเตรียได้ค้นพบวิธีที่รวดเร็วและมีประสิทธิภาพในการดึงข้อมูลเกี่ยวกับโครงสร้างพัวพันขนาดใหญ่ของวัสดุควอนตัมด้วยทฤษฎีบทอายุ 50 ปีจากทฤษฎีสนามควอนตัม วิธีการใหม่นี้สามารถเปิดประตูในสาขาต่างๆ เช่น ข้อมูลควอนตัม เคมีควอนตัม หรือแม้แต่ฟิสิกส์พลังงานสูง

การพันกันของควอนตัมเป็นปรากฏการณ์ที่ข้อมูลที่อยู่ในกลุ่มอนุภาคถูกเข้ารหัสด้วยความสัมพันธ์ระหว่างอนุภาคเหล่านั้น ข้อมูลนี้ไม่สามารถเข้าถึงได้โดยการตรวจสอบอนุภาคทีละอนุภาค และเป็นคุณลักษณะที่สำคัญของกลศาสตร์ควอนตัม ซึ่งเป็นคุณลักษณะที่ทำให้ควอนตัมแตกต่างจากโลกคลาสสิกอย่างชัดเจน นอกจากจะเป็นหัวใจสำคัญของคอมพิวเตอร์ควอนตัมและการสื่อสารควอนตัมแล้ว ความพันกันยังมีอิทธิพลอย่างมากต่อคุณสมบัติของวัสดุแปลกใหม่ประเภทใหม่อีกด้วย ความเข้าใจที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้นเกี่ยวกับเรื่องนี้จึงสามารถช่วยให้นักวิทยาศาสตร์เข้าใจและแก้ปัญหาในด้านวัสดุศาสตร์ ฟิสิกส์สสารควบแน่น และอื่นๆ ได้

ปัญหาคือการเรียนรู้เกี่ยวกับการพัวพันภายในของอนุภาคที่พันกันจำนวนมากนั้นเป็นเรื่องยากอย่างฉาวโฉ่ เนื่องจากความซับซ้อนของความสัมพันธ์จะเพิ่มขึ้นแบบทวีคูณตามจำนวนอนุภาค ความซับซ้อนนี้ทำให้คอมพิวเตอร์คลาสสิกไม่สามารถจำลองวัสดุที่ทำจากอนุภาคดังกล่าวได้ เครื่องจำลองควอนตัมได้รับการติดตั้งไว้ดีกว่าสำหรับงานนี้ เนื่องจากสามารถแสดงถึงความซับซ้อนแบบเอกซ์โปเนนเชียลแบบเดียวกับวัสดุเป้าหมายที่พวกเขากำลังจำลอง อย่างไรก็ตาม การแยกคุณสมบัติการพัวพันของวัสดุด้วยเทคนิคมาตรฐานยังคงต้องใช้การวัดจำนวนมากจนยาก

เครื่องจำลองควอนตัม

ในวิธีการใหม่ที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นในการประเมินความแข็งแกร่งของการพัวพันของระบบ นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยอินส์บรุคและสถาบันควอนตัมออพติกส์และข้อมูลควอนตัม (IQOQI) ที่อยู่ใกล้เคียงได้ตีความความแข็งแกร่งของการพัวพันในแง่ของอุณหภูมิในท้องถิ่น แม้ว่าบริเวณที่พันกันอย่างแน่นหนาของวัสดุควอนตัมจะปรากฏเป็น "ร้อน" ในวิธีนี้ แต่บริเวณที่พันกันเล็กน้อยจะปรากฏเป็น "เย็น" รูปแบบที่แน่นอนของสนามอุณหภูมิที่แปรผันเฉพาะที่นี้ถูกทำนายโดยทฤษฎีสนามควอนตัม ซึ่งช่วยให้ทีมงานสามารถวัดอุณหภูมิได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่าวิธีการก่อนหน้านี้

เพื่อจำลองวัสดุควอนตัมที่พันกัน ทีม Innsbruck-IQOQI ใช้ระบบ 51 40Ca+ ไอออนถูกยึดไว้ภายในห้องสุญญากาศโดยสนามไฟฟ้าที่สั่นของอุปกรณ์ที่เรียกว่า linear Paul trap การตั้งค่านี้ทำให้แต่ละไอออนสามารถควบคุมแยกกันและอ่านสถานะควอนตัมได้อย่างแม่นยำสูง นักวิจัยสามารถระบุโปรไฟล์อุณหภูมิที่เหมาะสมได้อย่างรวดเร็วโดยวางวงจรป้อนกลับระหว่างระบบกับคอมพิวเตอร์ (คลาสสิก) ที่สร้างโปรไฟล์ใหม่อยู่ตลอดเวลา และเปรียบเทียบกับการวัดจริงในการทดลอง จากนั้นพวกเขาก็ทำการวัดเพื่อแยกคุณสมบัติต่างๆ เช่น พลังงานของระบบ ในที่สุด พวกเขาตรวจสอบโครงสร้างภายในของสถานะของระบบโดยการศึกษาโปรไฟล์ "อุณหภูมิ" ซึ่งช่วยให้พวกเขาสามารถระบุสิ่งกีดขวางได้

ภูมิภาคร้อนและเย็น

โปรไฟล์อุณหภูมิที่ทีมงานได้รับแสดงให้เห็นว่าบริเวณที่มีความสัมพันธ์อย่างมากกับอนุภาครอบๆ ถือได้ว่า "ร้อน" (ซึ่งก็คือพันกันอย่างมาก) และบริเวณที่มีปฏิสัมพันธ์น้อยมากถือได้ว่า "เย็น" (พันกันเล็กน้อย) นักวิจัยยังได้ยืนยันเป็นครั้งแรกที่การคาดการณ์ของทฤษฎีสนามควอนตัมที่ปรับให้เข้ากับสภาวะพื้นดิน (หรือสภาวะอุณหภูมิต่ำ) ของวัสดุผ่านทฤษฎีบท Bisognano-Wichmann ซึ่งถูกนำเสนอครั้งแรกในปี 1975 เพื่อเป็นแนวทางในการเชื่อมโยงการเปลี่ยนแปลงของ Lorentz บางอย่าง ในกาลอวกาศไปสู่การเปลี่ยนแปลงในด้านประจุ ความเท่าเทียมกัน และเวลา นอกจากนี้ วิธีการดังกล่าวยังทำให้พวกเขาเห็นภาพครอสโอเวอร์จากสถานะพื้นดินที่พันกันเล็กน้อยไปจนถึงสถานะตื่นเต้นที่พันกันอย่างมากของวัสดุควอนตัม

หัวหน้ากลุ่ม ปีเตอร์โซลเลอร์ซึ่งดำรงตำแหน่งทั้งที่ Innsbruck และ IQOQI กล่าวว่าผลลัพธ์และเทคนิคต่างๆ เช่น โปรโตคอลควอนตัมที่ทำงานบนเครื่องจำลองควอนตัม ที่ใช้เพื่อให้ได้มานั้น โดยทั่วไปสามารถนำไปใช้กับการจำลองวัสดุควอนตัมได้ ด้วยเหตุนี้ เขาจึงเชื่อว่าสิ่งเหล่านี้มีความสำคัญในวงกว้างสำหรับวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีสารสนเทศควอนตัม รวมถึงการจำลองควอนตัม “สำหรับการทดลองในอนาคต เรา [ต้องการ] ทำเช่นนี้กับแพลตฟอร์มอื่นๆ และระบบแบบจำลองที่ซับซ้อน/น่าสนใจยิ่งขึ้น” เขากล่าว ฟิสิกส์โลก. “เครื่องมือและเทคนิคของเราเป็นเรื่องทั่วไปมาก”

มาร์เชลโล่ ดัลมอนเต้นักฟิสิกส์จากศูนย์ฟิสิกส์ทฤษฎีนานาชาติอับดุส ซาลาม ในอิตาลี ซึ่งไม่ได้เกี่ยวข้องกับการวิจัยนี้ เรียกผลลัพธ์นี้ว่า "ผู้ทำลายสถิติที่แท้จริง" ในมุมมองของเขา วิธีการนี้นำความเข้าใจที่ทดสอบได้ของเราเกี่ยวกับการพัวพันไปสู่ระดับใหม่โดยการเปิดเผยความซับซ้อนทั้งหมด นอกจากนี้เขายังคิดว่าเทคนิคนี้จะช่วยปรับปรุงความเข้าใจของเราเกี่ยวกับความสัมพันธ์ระหว่างสิ่งกีดขวางและปรากฏการณ์ทางกายภาพ และรู้สึกตื่นเต้นกับความเป็นไปได้ที่จะใช้มันเพื่อตอบคำถามสำคัญในฟิสิกส์เชิงทฤษฎี เช่น การเข้าถึงความเข้าใจที่ดีขึ้นเกี่ยวกับโครงสร้างการพัวพันของตัวดำเนินการสำหรับสถานะผสม พื้นที่ที่เป็นไปได้อีกประการหนึ่งในการสำรวจอาจเป็นการพัวพันกันระหว่างก้อนสสาร แม้ว่า Dalmonte เสริมว่าสิ่งนี้จะต้องมีการปรับปรุงเพิ่มเติมในโปรโตคอล รวมถึงการเพิ่มความสามารถในการขยายขนาด

งานวิจัยได้อธิบายไว้ใน ธรรมชาติ.

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก โลกฟิสิกส์