Mô phỏng lượng tử trực quan hóa sự vướng víu quy mô lớn trong vật liệu – Thế Giới Vật Lý

Các nhà vật lý ở Áo đã tìm ra cách trích xuất thông tin nhanh chóng và hiệu quả về cấu trúc vướng víu quy mô lớn của vật liệu lượng tử nhờ một định lý 50 năm tuổi từ lý thuyết trường lượng tử. Phương pháp mới có thể mở ra cánh cửa trong các lĩnh vực như thông tin lượng tử, hóa học lượng tử hay thậm chí là vật lý năng lượng cao.

Sự vướng víu lượng tử là một hiện tượng trong đó thông tin chứa trong một tập hợp các hạt được mã hóa theo mối tương quan giữa chúng. Thông tin này không thể được truy cập bằng cách thăm dò từng hạt một, và nó là một đặc điểm thiết yếu của cơ học lượng tử, một đặc điểm giúp phân biệt rõ ràng lượng tử với thế giới cổ điển. Ngoài vai trò then chốt trong tính toán lượng tử và truyền thông lượng tử, sự vướng víu còn ảnh hưởng nặng nề đến các tính chất của một loại vật liệu kỳ lạ mới nổi. Do đó, hiểu biết sâu hơn về nó có thể giúp các nhà khoa học hiểu và giải quyết các vấn đề trong khoa học vật liệu, vật lý vật chất ngưng tụ và hơn thế nữa.

Vấn đề là việc tìm hiểu về sự vướng víu bên trong của một số lượng lớn các hạt vướng víu là rất khó, vì độ phức tạp của các mối tương quan tăng theo cấp số nhân với số lượng hạt. Sự phức tạp này khiến máy tính cổ điển không thể mô phỏng các vật liệu làm từ những hạt như vậy. Trình mô phỏng lượng tử được trang bị tốt hơn cho nhiệm vụ này vì chúng có thể biểu thị độ phức tạp theo cấp số nhân tương tự như vật liệu mục tiêu mà chúng đang mô phỏng. Tuy nhiên, việc trích xuất các đặc tính vướng víu của vật liệu bằng các kỹ thuật tiêu chuẩn vẫn đòi hỏi một số lượng lớn các phép đo.

mô phỏng lượng tử

Trong phương pháp mới, hiệu quả hơn để đánh giá cường độ vướng víu của một hệ, các nhà nghiên cứu từ Đại học Innsbruck và Viện Quang học Lượng tử và Thông tin Lượng tử (IQOQI) gần đó đã giải thích cường độ vướng víu theo nhiệt độ cục bộ. Trong khi các vùng bị vướng víu cao của vật liệu lượng tử xuất hiện “nóng” trong phương pháp này thì các vùng bị vướng víu yếu lại xuất hiện “lạnh”. Điều quan trọng là dạng chính xác của trường nhiệt độ biến thiên cục bộ này được dự đoán bằng lý thuyết trường lượng tử, cho phép đội nghiên cứu đo các đặc tính nhiệt độ hiệu quả hơn những phương pháp trước đây có thể thực hiện được.

Để mô phỏng một vật liệu lượng tử vướng víu, nhóm Innsbruck-IQOQI đã sử dụng hệ thống gồm 51 ⁴⁰Ca⁺ các ion được giữ cố định bên trong buồng chân không nhờ điện trường dao động của một thiết bị gọi là bẫy Paul tuyến tính. Thiết lập này cho phép mỗi ion được điều khiển riêng lẻ và đọc trạng thái lượng tử của nó với độ chính xác cao. Các nhà nghiên cứu có thể nhanh chóng xác định các cấu hình nhiệt độ phù hợp bằng cách đặt một vòng phản hồi giữa hệ thống và một máy tính (cổ điển) liên tục tạo ra các cấu hình mới và so sánh chúng với các phép đo thực tế trong thí nghiệm. Sau đó, họ thực hiện các phép đo để rút ra các đặc tính như năng lượng của hệ. Cuối cùng, họ nghiên cứu cấu trúc bên trong của các trạng thái của hệ bằng cách nghiên cứu các đặc tính “nhiệt độ”, điều cho phép họ xác định sự vướng víu.

Vùng nóng và vùng lạnh

Hồ sơ nhiệt độ mà nhóm nghiên cứu thu được cho thấy những vùng có tương quan chặt chẽ với các hạt xung quanh có thể được coi là “nóng” (nghĩa là có mức độ vướng víu cao) và những vùng có tương tác rất ít có thể được coi là “lạnh” (bị vướng víu yếu). Lần đầu tiên, các nhà nghiên cứu cũng xác nhận các dự đoán về lý thuyết trường lượng tử thích ứng với các trạng thái cơ bản (hoặc trạng thái nhiệt độ thấp) của vật liệu thông qua định lý Bisognano-Wichmann, định lý được đưa ra lần đầu tiên vào năm 1975 như một cách liên hệ các phép biến đổi Lorentz nhất định trong không thời gian đến các phép biến đổi về điện tích, tính chẵn lẻ và thời gian. Ngoài ra, phương pháp này còn cho phép họ hình dung được sự giao nhau từ trạng thái cơ bản vướng víu yếu đến trạng thái kích thích vướng víu mạnh của vật liệu lượng tử.

Trưởng nhóm Peter zoller, người giữ các chức vụ tại cả Innsbruck và IQOQI, nói rằng các kết quả và kỹ thuật – các giao thức lượng tử chạy trên một máy mô phỏng lượng tử – được sử dụng để thu được chúng thường có thể áp dụng cho việc mô phỏng vật liệu lượng tử. Vì lý do này, ông tin rằng chúng có tầm quan trọng rộng rãi đối với khoa học và công nghệ thông tin lượng tử cũng như mô phỏng lượng tử. “Đối với các thử nghiệm trong tương lai, chúng tôi [muốn] thực hiện điều này với các nền tảng khác và các hệ thống mô hình phức tạp/thú vị hơn,” anh nói. Thế giới Vật lý. “Các công cụ và kỹ thuật của chúng tôi rất chung chung.”

Sự vướng víu trở nên nóng bỏng và lộn xộn

Marcello Dalmonte, một nhà vật lý tại Trung tâm Vật lý Lý thuyết Quốc tế Abdus Salam ở Ý, người không tham gia vào nghiên cứu, gọi kết quả này là “một bước đột phá thực sự”. Theo quan điểm của ông, phương pháp này đưa sự hiểu biết có thể kiểm chứng bằng thực nghiệm của chúng ta về sự vướng víu lên một tầm cao mới bằng cách khám phá toàn bộ sự phức tạp của nó. Ông cũng cho rằng kĩ thuật này sẽ cải thiện sự hiểu biết của chúng ta về mối quan hệ giữa sự vướng víu và hiện tượng vật lý, đồng thời rất hào hứng với khả năng sử dụng nó để giải các câu hỏi then chốt trong vật lý lý thuyết, chẳng hạn như đạt được sự hiểu biết tốt hơn về cấu trúc toán tử vướng víu đối với các trạng thái hỗn hợp. Một lĩnh vực khả thi khác cần khám phá có thể là sự vướng víu lẫn nhau giữa các khối vật chất, mặc dù Dalmonte cho biết thêm rằng điều này sẽ đòi hỏi những cải tiến hơn nữa đối với giao thức, bao gồm cả việc tăng cường khả năng mở rộng của nó.

Nghiên cứu được mô tả trong Thiên nhiên.

• Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Trao quyền cho chính mình. Truy cập Tại đây.
• PlatoAiStream. Thông minh Web3. Kiến thức khuếch đại. Truy cập Tại đây.
• Trung tâmESG. Than đá, công nghệ sạch, Năng lượng, Môi trường Hệ mặt trời, Quản lý chất thải. Truy cập Tại đây.
• PlatoSức khỏe. Tình báo thử nghiệm lâm sàng và công nghệ sinh học. Truy cập Tại đây.
• nguồn: https://physicsworld.com/a/quantum-simulator-visualizes-large-scale-entanglement-in-materials/