Sommerfugl stammer fra kvantesimulering

Kvantesimulatorer, som er kvantecomputere til specielle formål, vil hjælpe forskere med at identificere materialer med nye og nyttige egenskaber. Denne lokkende fremtid har netop taget et skridt fremad takket være et samarbejde mellem Google og forskere på universiteter i Californien, Singapore og Grækenland.

Det internationale team brugte fotoner i Googles kvantechip til at simulere det overraskende og smukke mønster af 'Hofstadter -sommerfuglen', en fraktal struktur, der karakteriserer elektronernes adfærd i stærke magnetfelter. Resultaterne, udgivet 1. december i Videnskab , vise hvordan kvantesimulatorer begynder at leve op til deres løfte som kraftfulde værktøjer.

"Vi har altid haft denne idé om, at vi kan bruge fotoner til at simulere og bedre forstå naturen. Vores samarbejde gør dette i praksis, "siger Dimitris Angelakis ved Center for Quantum Technologies, National University of Singapore.

Bedriften blev udført på Googles kæde af ni superledende kvantebits (qubits) af samarbejdspartnere ved Google og University of California Santa Barbara i USA, det nationale universitet i Singapore og det tekniske universitet på Kreta, Grækenland. Det viser, hvordan en kvantesimulator kan gengive alle former for eksotisk kompleks kvanteopførsel. Dette vil gøre det muligt for forskere at simulere - og dermed konstruere - materialer med eksotiske elektroniske ledningsegenskaber, muligvis åbne en række nye applikationer.

"Med chips, der ligner den, der blev brugt i dette eksperiment, vi er interesserede i at studere problemer i kernen af ​​kondenseret stof, statistisk mekanik, og ikke-ligevægtsdynamik, " siger Googles Pedram Roushan, en kvanteelektronikingeniør.

Hofstadters sommerfugl dukkede første gang op i 1976, i beregninger af elektroner i et todimensionelt materiale i et stærkt magnetfelt. Sommerfuglen kortlægger splittelser og forskydninger af elektronens energiniveauer med ændringer i feltstyrken. I denne kvantesimulering, fotonerne indtog elektronernes rolle, mens porte på qubits gav en analog af magnetfeltet. Sommerfuglemønsteret stammede fra holdets målinger.

Eksperimentet baserede sig på holdets opfindelse af en ny spektroskopiteknik, som de kalder 'hit and listen'. Teknikken kortlægger energiniveauet af lyspartikler, mikrobølge fotoner, gemt i de ni qubits.

"Vores metode er som at ramme en klokke. Den lyd, den laver, er en superposition af alle de grundlæggende harmoniske. Ved at ramme den i forskellige positioner et par gange og lytte til melodien længe nok, man kan løse de skjulte harmoniske. Vi gør det samme med kvantechippen, slå den med fotoner og derefter følge dens udvikling i tide, "forklarer Angelakis. Holdet så sommerfuglen ved at ramme qubitsne med en foton ad gangen.

Holdet ramte også qubits med to fotoner samtidigt, og gjorde qubitterne uordentlige - programmering af en vis tilfældighed i deres egenskaber - for at studere det komplekse fænomen kendt som 'lokalisering af mange legemer'. Dette er en kvantefaseovergang, beslægtet med faseændringen, der sker, når vand fryser til is, der afgør, om materialer er ledere eller isolatorer Teamet fandt forstadier til mange-krops lokalisering ved at anvende deres 'hit and listen' teknik til forskellige ordninger for lidelse og interaktion.

At sætte sig ind i denne form for fænomen kan give en anden vej til at designe nyttige nye materialer med eksotiske ledningsegenskaber. Imidlertid, fysikere generelt kæmper for at simulere sådanne komplekse scenarier. Det blev forudsagt i 1950'erne, at uorden i et materiale kunne blokere elektroners bevægelse gennem det. Det kaldes lokalisering. Men hvis partiklerne kan interagere med hinanden, problemet bliver 'mange-kroppe' - og meget sværere at modellere.

For kun to fotoner på tværs af ni qubits, teamet kunne simulere på konventionelle computere, hvilken adfærd man kan forvente, finde god overensstemmelse med deres eksperimentelle resultater. Men tilføj blot et par flere qubits, og problemet bliver uløseligt for klassiske maskiner.

Det gør udsigten til større kvantesimulatorer lokkende for forskere - de kan løse problemer uden for dagens supercomputers rækkevidde.

"At forstå kvantefaser er stadig et af fysikkens uløste mysterier", siger Roushan.