Vender forvikling på hovedet

Et team af fysikere fra ICTP-Trieste og IQOQI-Innsbruck er kommet med en overraskende enkel idé til at undersøge kvanteindvikling af mange partikler. I stedet for at grave dybt ned i egenskaberne ved kvantebølgefunktioner, som er notorisk svære at få adgang til eksperimentelt, de foreslår at realisere fysiske systemer styret af den tilsvarende forvikling Hamiltonians. Ved at gøre det, sammenfiltringsejendomme ved det oprindelige problem med interesse bliver tilgængelige via veletablerede værktøjer.

Kvantindvikling udgør kernen i den anden kvanterevolution:det er en nøgleegenskab, der bruges til at forstå former for kvantemateriale, og en nøgleressource for nuværende og fremtidige kvanteteknologier. Fysisk, sammenfiltrede partikler kan ikke beskrives som individuelle partikler med definerede tilstande, men kun som et enkelt system. Selv når partiklerne adskilles med en stor afstand, ændringer i en partikel påvirker også øjeblikkeligt den eller de andre partikler. Indvikling af individuelle partikler - uanset om det er fotoner, atomer eller molekyler - er en del af hverdagen i laboratoriet i dag. I mangekroppens fysik, efter Li og Haldanes pionerarbejde, sammenfiltring er typisk karakteriseret ved det såkaldte sammenfiltringsspektrum:det er i stand til at fange væsentlige træk ved kollektive kvantefænomener, såsom topologisk orden, og på samme tid, det gør det muligt at kvantificere 'kvantiteten' af en given tilstand - det vil sige hvor udfordrende det er bare at skrive det ned på en klassisk computer.

På trods af dens betydning, de eksperimentelle metoder til at måle forviklingsspektret hurtigt nå deres grænser - indtil i dag, disse spektre er kun blevet målt i få qubits -systemer. Med et stigende antal partikler, denne indsats bliver håbløs, da kompleksiteten af ​​nuværende teknikker stiger eksponentielt.

"I dag, det er meget svært at udføre et eksperiment ud over få partikler, der giver os mulighed for at komme med konkrete udsagn om sammenfiltringsspektre, "forklarer Marcello Dalmonte fra International Center for Theoretical Physics (ICTP) i Trieste, Italien. Sammen med Peter Zoller og Benoît Vermersch ved universitetet i Innsbruck, han har nu fundet en overraskende enkel måde at undersøge kvanteforvikling direkte på. Fysikerne vender op og ned på begrebet kvantesimulering ved ikke længere at simulere et bestemt fysisk system i kvantesimulatoren, men simulerer direkte sin forvikling hamiltonske operatør, hvis spektrum af excitationer umiddelbart vedrører forviklingsspektret.

"I stedet for at simulere et specifikt kvanteproblem i laboratoriet og derefter forsøge at måle indviklingsegenskaberne, vi foreslår ganske enkelt at vende bordene og direkte realisere den tilsvarende forvikling Hamiltonian, som giver umiddelbar og enkel adgang til sammenfiltringsejendomme, såsom sammenfiltringsspektret, "forklarer Marcello Dalmonte." At undersøge denne operatør i laboratoriet er konceptuelt og praktisk talt lige så let som at undersøge konventionelle mangekropsspektre, en veletableret laboratorierutine. "

Desuden, der er næsten ingen grænser for denne metode med hensyn til kvantesystemets størrelse. Dette kan også tillade undersøgelse af sammenfiltringsspektre i mangepartikelsystemer, hvilket er notorisk udfordrende at tage fat på med klassiske computere. Dalmonte, Vermersch og Zoller beskriver den radikalt nye metode i et aktuelt papir i Naturfysik og demonstrere dens konkrete realisering på en række eksperimentelle platforme, såsom atomsystemer, fangede ioner og også solid-state systemer baseret på superledende kvantebits.