Kvantfaseovergang observeret for første gang

En gruppe forskere ledet af Johannes Fink fra Institute of Science and Technology Austria (IST Austria) rapporterede den første eksperimentelle observation af en førsteordens faseovergang i et dissipativt kvantesystem. Faseovergange omfatter sådanne fænomener som frysning af vand ved den kritiske temperatur på 0 grader Celsius. Imidlertid, faseovergange forekommer også på det kvantemekaniske niveau, hvor de stadig er relativt uudforskede af forskere.

Et eksempel på en faseovergang på kvantenniveau er nedbrydningen af ​​foton, som først blev opdaget for to år siden. Under fotonblokade, en foton fylder et hulrum i et optisk system og forhindrer andre fotoner i at komme ind i det samme hulrum, indtil det forlader, dermed blokerer strømmen af ​​fotoner. Men hvis fotonstrømmen stiger til et kritisk niveau, en kvantefaseovergang forudsiges:fotonblokaden bryder sammen, og systemets tilstand ændres fra uigennemsigtig til gennemsigtig. Denne specifikke faseovergang er nu blevet eksperimentelt observeret af forskere, der, for første gang, opfyldte de meget specifikke betingelser, der var nødvendige for at studere denne effekt.

Under en faseovergang, kontinuerlig tuning af en ekstern parameter, fx temperatur, fører til en overgang mellem to robuste steady state med forskellige attributter. Førsteordens faseovergange er kendetegnet ved en sameksistens af de to stabile faser, når kontrolparameteren er inden for et bestemt område tæt på den kritiske værdi. De to faser danner en blandet fase, hvor nogle dele har gennemført overgangen og andre ikke, som i et glas indeholdende isvand. De eksperimentelle resultater, som Fink og hans samarbejdspartnere vil offentliggøre i tidsskriftet Fysisk gennemgang X give indsigt i det kvantemekaniske grundlag for denne effekt i et mikroskopisk, nul-dimensionelt system.

Deres opsætning bestod af en mikrochip med en superledende mikrobølgeresonator, der fungerer som hulrummet og et par superledende qubits, der fungerer som atomerne. Chippen blev afkølet til en temperatur forbløffende tæt på absolut nul - 0,01 Kelvin - så termiske udsving ikke spillede en rolle. For at producere en strøm af fotoner, forskerne sendte derefter en kontinuerlig mikrobølge tone til input af resonatoren på chippen. På output -siden, de forstærkede og målte den transmitterede mikrobølgefluss. For visse inputkræfter, de opdagede et signal, der vendte stokastisk mellem nultransmission og fuld transmission, beviser den forventede sameksistens i begge faser var forekommet. "Vi har observeret denne tilfældige skift mellem uigennemsigtig og gennemsigtig for første gang og i overensstemmelse med teoretiske forudsigelser, "siger hovedforfatter Johannes Fink fra IST Østrig.

Potentielle fremtidige applikationer omfatter hukommelseslagerelementer og processorer til kvantesimulering. "Vores eksperiment tog præcis 1,6 millisekunder at gennemføre for en given inputeffekt. Den tilsvarende numeriske simulering tog et par dage på en national supercomputer -klynge. Dette giver en idé om, hvorfor disse systemer kunne være nyttige til kvantesimuleringer, "Fink forklarer.

Johannes Fink kom til IST Austria i 2016 for at starte sin arbejdsgruppe om Quantum Integrated Devices. Hovedformålet med hans gruppe er at fremme og integrere kvante-teknologi til chipbaseret beregning, meddelelse, og sansning.