Verdens hurtigste kvantesimulator, der opererer på atomniveau

Kenji Ohmori (Institut for Molekylær Videnskab, National Institutes of Natural Sciences, Japan) og en gruppe samarbejdspartnere har udviklet verdens hurtigste simulator til kvantemekanisk dynamik af et stort antal partikler, der interagerer med hinanden inden for en milliarddel af et sekund.

Dynamikken i interaktioner mellem et stort antal elektroner styrer en række vigtige fysiske og kemiske fænomener, herunder superledning, magnetisme og kemiske reaktioner. Et ensemble af mange partikler, der således interagerer med hinanden, omtales som et "stærkt korreleret system." Forståelse af egenskaberne ved stærkt korrelerede systemer er således et af de moderne videnskabers centrale mål. Det er ekstremt svært, imidlertid, at teoretisk forudsige egenskaberne ved et stærkt korreleret system, selv ved hjælp af den japanske super-computer efter K, som er planlagt færdig i år 2020.

For eksempel, post-K kan ikke engang beregne den præcise energi, materiens mest grundlæggende egenskab, når antallet af partikler i systemet er mere end 30. I stedet for at beregne med en klassisk computer som post-K, et alternativt koncept, en "kvantesimulator, "er blevet foreslået, hvor kvantemekaniske partikler såsom atomer samles til et kunstigt stærkt korreleret system, hvis egenskaber er kendte og kontrollerbare. Sidstnævnte bruges derefter til at simulere og forstå egenskaberne ved et andet stærkt korreleret system, hvis egenskaber ikke kendes.

Teamet har nu udviklet en helt ny kvantsimulator til dynamikken i et stærkt korreleret system med mere end 40 atomer inden for en milliarddel af et sekund. Dette er blevet realiseret ved at indføre en ny fremgangsmåde, hvor en ultrakort laserpuls ved en pulsbredde på kun 100 milliarddeler af et sekund bruges til at styre et ensemble med høj densitet af atomer afkølet til temperaturer tæt på absolut nul. Desuden, det er lykkedes dem at simulere elektronernes bevægelse i dette stærkt korrelerede system, der moduleres ved at ændre interaktionsstyrken mellem mange atomer i ensemblet.

Denne "ultrahurtige kvantsimulator" forventes at tjene som et grundlæggende værktøj til at undersøge oprindelsen af ​​materielle fysiske egenskaber, herunder magnetisme og, eventuelt, superledning.

Dette resultat vil blive offentliggjort i Naturkommunikation den 16. november 2016.