Ny metode muliggør kvantesimuleringer på større systemer

Gennem tilfældigt udvalgte målinger, Østrigske fysikere kan nu bestemme kvanteforvikling af mangepartikelsystemer. Med den nyudviklede metode, kvantesimuleringer kan udvides til et større antal kvantepartikler. I Videnskab , fysikere fra Innsbruck, Østrig, rapport om den første vellykkede demonstration af denne metode.

Kvantfænomener er eksperimentelt vanskelige at håndtere. Indsatsen stiger dramatisk med systemets størrelse. Forskere kan styre små kvantesystemer og undersøge kvanteegenskaber. Sådanne kvantesimuleringer betragtes som lovende tidlige anvendelser af kvanteteknologier, der kunne løse problemer, hvor simuleringer på konventionelle computere mislykkes. Imidlertid, de kvantesystemer, der bruges som kvantesimulatorer, har brug for yderligere udvikling. Indvikling af mange partikler er stadig et fænomen, der er svært at forstå. "For at betjene en kvantesimulator bestående af 10 eller flere partikler i laboratoriet, vi skal karakterisere systemets tilstande så præcist som muligt, "forklarer Christian Roos fra Institute of Quantum Optics and Quantum Information ved det østrigske videnskabsakademi.

Indtil nu, kvantetilstandstomografi er blevet brugt til karakterisering af kvantetilstande, hvormed systemet kan beskrives fuldstændigt. Denne metode, imidlertid, involverer en meget høj måle- og beregningsindsats og er ikke egnet til systemer med mere end en halv snes partikler. To år siden, forskerne under ledelse af Christian Roos, sammen med kolleger fra Tyskland og Storbritannien, præsenteret en effektiv metode til karakterisering af komplekse kvantetilstande. Imidlertid, kun svagt sammenfiltrede stater kunne beskrives med denne metode. Dette problem er nu omgået med en ny metode, der blev præsenteret sidste år af teoretikerne under ledelse af Peter Zoller, som kan bruges til at karakterisere enhver sammenfiltret tilstand. Sammen med eksperimentelle fysikere Rainer Blatt og Christian Roos og deres team, de har nu demonstreret denne metode i laboratoriet.

Kvantesimuleringer på større systemer

"Den nye metode er baseret på den gentagne måling af tilfældigt udvalgte transformationer af individuelle partikler. Den statistiske evaluering af måleresultaterne giver derefter oplysninger om graden af ​​sammenfiltring af systemet, "forklarer Andreas Elben fra Peter Zollers team. De østrigske fysikere demonstrerede processen i en kvantesimulator bestående af flere ioner arrangeret i træk i et vakuumkammer. Ud fra en enkel tilstand, forskerne lader de enkelte partikler interagere ved hjælp af laserpulser og dermed generere sammenfiltring i systemet.

"Vi udfører 500 lokale transformationer på hver ion og gentager målingerne i alt 150 gange for derefter at kunne bruge statistiske metoder til at bestemme oplysninger om sammenfiltringstilstanden fra måleresultaterne, "forklarer ph.d. -studerende Tiff Brydges fra Institute of Quantum Optics and Quantum Information.

I det arbejde, der nu er offentliggjort i Videnskab , Innsbruck-fysikerne karakteriserede den dynamiske udvikling af et system bestående af 10 ioner samt et undersystem bestående af ti ioner i en 20-ion-kæde. "I laboratoriet, denne nye metode hjælper os meget, fordi det gør os i stand til at forstå vores kvantesimulator endnu bedre, og, for eksempel, for mere præcist at vurdere forviklingens renhed, siger Christian Roos, der antager, at den nye metode med succes kan anvendes på kvantesystemer med op til flere dusin partikler.