I en ny kvantesimulator, lys opfører sig som en magnet

Fysikere ved EPFL foreslår en ny "kvantesimulator":en laserbaseret enhed, der kan bruges til at studere en bred vifte af kvantesystemer. Studerer det, forskerne har fundet ud af, at fotoner kan opføre sig som magnetiske dipoler ved temperaturer tæt på det absolutte nulpunkt, efter kvantemekanikkens love. Den simple simulator kan bruges til bedre at forstå komplekse materialers egenskaber under sådanne ekstreme forhold.

Når de er underlagt kvantemekanikkens love, systemer lavet af mange interagerende partikler kan vise adfærd så kompleks, at dens kvantitative beskrivelse trodser evnerne hos de mest kraftfulde computere i verden. I 1981, den visionære fysiker Richard Feynman hævdede, at vi kan simulere en så kompleks adfærd ved hjælp af et kunstigt apparat, der er styret af de samme kvantelove - hvad der er blevet kendt som en "kvantesimulator".

Et eksempel på et komplekst kvantesystem er magneter placeret ved virkelig lave temperaturer. Tæt på det absolutte nulpunkt (-273,15 grader Celsius), magnetiske materialer kan gennemgå det, der er kendt som en "kvantefaseovergang". Som en konventionel faseovergang (fx is, der smelter til vand, eller vand, der fordamper til damp), systemet skifter stadig mellem to tilstande, bortset fra at tæt på overgangspunktet manifesterer systemet kvantesammenfiltring – det mest dybtgående træk forudsagt af kvantemekanikken. At studere dette fænomen i virkelige materialer er en forbløffende udfordrende opgave for eksperimentelle fysikere.

Men fysikere ledet af Vincenzo Savona ved EPFL er nu kommet med en kvantesimulator, der lover at løse problemet. "Simulatoren er en simpel fotonisk enhed, der nemt kan bygges og køres med nuværende eksperimentelle teknikker, " siger Riccardo Rota, postdocen på Savonas laboratorium, der ledede undersøgelsen. "Men endnu vigtigere, det kan simulere den komplekse adfærd af ægte, interagerende magneter ved meget lave temperaturer."

Simulatoren kan bygges ved hjælp af superledende kredsløb - den samme teknologiske platform, der bruges i moderne kvantecomputere. Kredsløbene er koblet til laserfelter på en sådan måde, at det forårsager en effektiv interaktion mellem lyspartikler (fotoner). "Da vi studerede simulatoren, vi fandt ud af, at fotonerne opførte sig på samme måde som magnetiske dipoler på tværs af kvantefaseovergangen i virkelige materialer, " siger Rota. Kort sagt, vi kan nu bruge fotoner til at køre et virtuelt eksperiment på kvantemagneter i stedet for at skulle opsætte selve eksperimentet.

"Vi er teoretikere, " siger Savona. "Vi kom op med ideen til denne særlige kvantesimulator og modellerede dens adfærd ved hjælp af traditionelle computersimuleringer, hvilket kan gøres, når kvantesimulatoren henvender sig til et lille nok system. Vores resultater beviser, at den kvantesimulator, vi foreslår, er levedygtig, og vi er nu i forhandlinger med eksperimentelle grupper, som gerne vil bygge og bruge det rent faktisk."

Forståeligt nok, Rota er begejstret:"Vores simulator kan anvendes på en bred klasse af kvantesystemer, giver fysikere mulighed for at studere flere komplekse kvantefænomener. Det er et virkelig bemærkelsesværdigt fremskridt i udviklingen af ​​kvanteteknologier."