Nyt værktøjssæt til fotonik:Kvantesimulering med lysradio

Der udføres intensiv forskning i kvantesimulatorer:de lover præcist at beregne egenskaberne af komplekse kvantesystemer, når konventionelle og endda supercomputere fejler. I et samarbejdsprojekt, teoretikere fra Max Planck Institute of Quantum Optics i Garching og Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) har nu udviklet en ny værktøjskasse til kvantesimulatorer og udgivet den i Videnskabens fremskridt . Den bruger det nobelprisvindende topologiprincip til at tillade kvantebits, for eksempel individuelle atomer, at kommunikere med hinanden via "topologiske radiokanaler." "Radiokanalerne" leveres af et lysfelt, der bevæger sig i bølgeleder på en robust måde ved hjælp af topologi. Konceptet giver plads til helt nye ideer, lige fra grundforskning til kvanteinformation.

"Hvordan kan vi få to fjerne kvantebits til at 'tale' med hinanden?" spørger Alejandro González-Tudela. "Dette er en væsentlig udfordring inden for kvanteinformation og simulering!" Indtil for nylig, den teoretiske fysiker var postdoc i afdelingen for Ignacio Cirac, direktør ved Max Planck Institute of Quantum Optics i Garching, og i dag er han fast forsker ved Instituto de Física Fundamental IFF-CSIC i Madrid. Sammen med Cirac og to spanske kolleger fra Instituto de Ciencias de Materiales de Madrid, han har nu udgivet en videnskabelig artikel, der introducerer en helt ny værktøjskasse til fotonik. Fotonik er en gren af ​​fysikken, der beskæftiger sig med samspillet mellem lys og stof og dets tekniske anvendelse.

En mulig anvendelse er den såkaldte kvantesimulering, som går tilbage til en idé om den berømte amerikanske nobelprisvinder Richard Feynman. Hvis man ønsker at beregne adfærden af ​​et kvantesystem så nøjagtigt som muligt på en konventionel computer, den nødvendige computerkraft fordobles med hver ny kvantepartikel i systemet. På grund af denne matematiske lavine, selv relativt små kvantesystemer bestående af blot et par dusin partikler overskrider ydeevnen af ​​selv konventionelle supercomputere. Af denne grund, Feynman fik ideen for årtier siden at simulere et kvantesystems adfærd ved hjælp af et andet kvantesystem. I princippet, sådan en kvantesimulator er en specialiseret kvantecomputer, hvis individuelle kvantebits let kan styres udefra – i modsætning til det ret utilgængelige kvantesystem, hvis adfærd det skal simulere.

Sådanne kvantesimulatorer har været genstand for intensiv forskning i mange år. For eksempel, de lover at give en bedre forståelse af materialeegenskaber såsom superledning eller kompleks magnetisme. De spiller også en vigtig rolle på instituttet i Garching. For eksempel, en simulator kan bestå af en sky af ultrakolde atomer fanget i et rumligt gitter af laserlys. Hvis disse kvantebits - eller kort sagt qubits - skal interagere med hinanden, de gør det ved at udveksle lyskvanter, fotoner. Imidlertid, et atom udsender normalt en sådan foton i en eller anden tilfældig retning. Det ville være meget mere effektivt for kvantesimuleringer, hvis qubit'en kunne målrette sin foton direkte til sin næste eller næste nabo.

Robust Photon Radio

González-Tudela og hans team har nu udviklet et teoretisk princip, der muliggør en sådan målrettet "fotonradio" mellem atomer. "Vi er nødt til at pakke qubits og fotoner ind i en bølgeleder, " forklarer teoretikeren. Men hvordan "wire" man et ensemble af atomer, der flyder i et lysnet i rummet med sådanne bølgeledere og får dem til at tale på en robust måde? Svaret fra de fire teoretikere er:med ekstremt vanskeligt lys.

Tricket er i bund og grund at overføre det matematiske topologibegreb fra faststoffysik til fotonik. I faststoffysik, den har udløst en rigtig hype i de senere år, fordi den kan producere helt nye, tidligere ukendte materialeegenskaber. I 2016 de tre britiske fysikere David Thouless, Duncan Haldane og Michael Kosterlitz blev tildelt Nobelprisen i fysik for succesfuldt at introducere topologiske begreber til faststoffysik. I princippet, spørgsmålet er, hvor mange huller et geometrisk legeme har. En kop kaffe, for eksempel, har et hul i håndtaget ligesom en ring i midten, og dermed har begge det topologiske nummer et. Konsekvensen:fra et rent geometrisk synspunkt, koppen og doughnuten kan nemt forvandles til hinanden. På den anden side, voldsom topologisk modstand støder man på, når en et-huls doughnut skal forvandles til en tre-huls kringle.

I fysik, denne hulnummerregel har den konsekvens, at topologien enormt kan stabilisere visse fysiske egenskaber mod forstyrrelser. Og dette fører til den anden store udfordring inden for kvanteinformation og dermed kvantesimulering:allestedsnærværende forstyrrelser får den meget følsomme kvanteinformation til at henfalde hurtigt.

"Denne såkaldte dekohærens er det største problem med kvanteinformation, " siger González-Tudela. Topologiens fængslende egenskaber førte snart kloge sind til den konklusion, at de følsomme kvantebits kunne pakkes i fysiske systemer med sådanne topologiske egenskaber. Dette forskes i i faststoffysik, for eksempel, og store virksomheder som Microsoft investerer også massivt i denne forskning.

Topologisk værktøjskasse

González-Tudela og hans tre medforfattere har nu udtænkt en værktøjskasse, hvormed sådanne topologiske begreber kan overføres til fotonik. Nogle systemer, såsom ultrakolde atomer i lysnet, er allerede meget avancerede i deres kontrollerbarhed. De tilbyder derfor mange muligheder for kvantesimulering. De fire teoretikeres værktøjskassen åbner et nyt rum for mange kreative ideer. Kort fortalt, den består af et sæt kvantebits, for eksempel enkelte atomer arrangeret i en linje. De kan interagere med en smart konstrueret, lineært "lysbad", der opfører sig som den bølgeleder, de teoretiske fysikere ledte efter.

Hvis man nu manipulerer de forskellige justeringsskruer i systemet, kvantebittene kan udveksle fotoner efter ønske via denne bølgeleder. Men ikke nok med det:F.eks. en qubit kan sende sin information i én retning, men forbliver helt mørk i den modsatte retning. Sådanne interaktioner er ekstremt vanskelige at fremstille i atomernes mikroverden.

De fire teoretikeres værktøjskasse byder således på mange nye muligheder for at lade kvantebits kommunikere med hinanden. Det er præcis, hvad fremtidige kvantesimulatorer har brug for. Konceptet er også universelt:det kan også realiseres i nogle kvantesystemer, der er sammensat af mange qubits, som i øjeblikket forskes i. De fire teoretikeres nye arbejde kan blive kernen til helt nye ideer, lige fra ren grundforskning til kvanteinformation.