Quantum system afkøles praktisk talt til halvdelen af ​​dets faktiske temperatur

Fysikere har udviklet en kvantesimuleringsmetode, der kan "praktisk talt afkøle" et eksperimentelt kvantesystem til en brøkdel af dets faktiske temperatur. Metoden kan muligvis give adgang til ekstremt lave temperaturfænomener, såsom usædvanlige former for superledning, der aldrig er blevet observeret før. Simuleringen involverer forberedelse af flere kopier af systemets kvantetilstand, forstyrrer staterne, og foretager målinger på hver kopi, som i sidste ende giver en simuleret måling på det samme system ved en lavere temperatur.

Teamet af fysikere, Jordan Cotler ved Stanford University og medforfattere, har udgivet et papir om den kvante virtuelle køling metode i et nyligt nummer af Fysisk gennemgang X .

Som forskerne forklarede, resultaterne er baseret på ideen om, at der er en stærk sammenhæng mellem temperatur og kvanteindvikling.

"Et moderne perspektiv inden for fysik er, at temperaturen er en ny egenskab ved kvanteindvikling, "Fortalte Cotler Phys.org . "Med andre ord, visse mønstre af kvanteindvikling giver anledning til den velkendte forestilling om temperatur. Ved målrettet at manipulere indviklingsmønsteret i et system, vi kan få adgang til lavere temperaturer. Selvom disse bemærkelsesværdige ideer tidligere blev forstået teoretisk, vi fandt ud af, hvordan vi kan implementere dem eksperimentelt. "

Fremtidige eksperimentelle erkendelser af den virtuelle køleteknik kan sætte forskere i stand til at måle temperaturen på tilsyneladende umulige måder.

"Vi kan muligvis bruge virtuel kvantekøling til at 'krydse' det, der kaldes endelige temperaturfasetransitioner, "Cotler sagde." Det virker ret mærkeligt - det ville være som at tage to glas flydende vand, og ved at foretage en kvantemåling, du lærer om egenskaberne ved fast is. Bemærkelsesværdigt, dette virker i princippet muligt, men i praksis, vi skal bruge systemer, der er lettere at kontrollere end vand. Ikke desto mindre, vi kan stadig være i stand til at forberede et system i en fase, og brug virtuel kvantekøling til at undersøge en anden fase, der kun forekommer ved en lavere temperatur. "

Hvordan det virker

Den virtuelle afkølingsmetode er designet til at fungere på en type system, der kaldes et stærkt korreleret kvante mange-kropssystem. Et eksempel på et sådant system er et system af ultrakølede atomer fanget af et gitter af lasere kaldet et "optisk gitter". Atomer kan hoppe fra gitterpunkt til gitterpunkt og interagere med hinanden. Stærkt korrelerede kvante mange-kropssystemer som ultrakold fangede atomer forudsiges teoretisk at afsløre interessant adfærd ved ultrakølede temperaturer. Desværre, mange af de forudsagte lavtemperaturfænomener er aldrig blevet observeret på grund af vanskeligheden ved at afkøle til sådanne kolde temperaturer.

En nyligt udviklet tilgang til køling er at bruge en kvantesimulator - et fysisk system bestående af atomer, fotoner, kvanteprikker, eller et andet fysisk objekt, som bruges til at modellere et andet fysisk system, der ikke er så godt forstået. I den kvantesimulator, der blev introduceret i det nye papir, atomer ved en tilgængelig temperatur bruges til at modellere atomer ved en koldere, traditionelt utilgængelig temperatur. Med andre ord, et kvantesystem bruges til at simulere et delsæt af sig selv ved en lavere temperatur. På grund af deres kvanteegenskaber, kvantesimulatorer kan udføre bestemte opgaver som denne, der er uden for rækkevidde af klassiske computere, som ikke kan udnytte kvanteindvikling og superposition.

En af de centrale ting ved den nye simulator er, at der slet ikke er nogen egentlig fysisk køling involveret. I stedet, den virtuelle afkøling opnås ved at forstyrre mange atomer, måling af disse atomer, og derefter behandle måledata. At demonstrere, fysikerne brugte metoden til at simulere målinger af atomernes tæthed i det, der kaldes en "Bose-Hubbard-model, "som specificerer visse former for interaktioner mellem atomerne. Den grundlæggende procedure indebærer at forberede to eller flere identiske kopier af kvantetilstanden med mange atom på forskellige fysiske steder (her, de optiske gitter). Derefter induceres kvantetunneling mellem kopierne, som tillader atomisk interferens mellem dem. Endelig, antallet af atomer, der optager hvert sted, måles for hvert gittersted, hvilket gøres ved hjælp af et kvantgasmikroskop.

Efter at have gentaget proceduren flere gange ved den faktiske temperatur, og derefter tage gennemsnittet, metoden giver den lokale densitet af atomer ved en reduceret temperatur på T / n , hvor T er systemets faktiske temperatur og n er antallet af kopier, der bruges. I den første demonstration, forskerne brugte to kopier, hvilket gav adgang til systemet ved halvdelen af ​​dets oprindelige temperatur. Disse eksperimentelle resultater matchede tæt teoretiske forudsigelser.

Selvom metoden teoretisk set tillader, at systemet praktisk talt afkøles helt til dets jordtilstand, dvs. nul-temperatur tilstand, I praksis er mængden af ​​køling begrænset af skaleringsvanskeligheder ved måling af flere kopier af systemet med tilstrækkelig høj præcision. Stadig, på grund af det faktum, at der ikke er fysisk køling involveret, forskerne forventer, at simuleringsmetoden praktisk talt kan reducere temperaturen i et kvantesystem, efter at alle fysiske afkølingsmetoder er blevet brugt, så det kunne give yderligere afkøling til enhver anden metode.

Seje fremtidsplaner

I fremtiden, fysikerne planlægger yderligere at udvide tilgangen til at udvide kvantisk virtuel køling for at måle mere komplicerede egenskaber. Mens den nuværende opsætning kun var designet til at måle atomdensitet ved lave temperaturer, fysikerne udviklede en alternativ kølingstilgang til måling af andre egenskaber. Denne fremgangsmåde bruger qubits i et kvantekredsløb, ligner sammenfiltringsrensningsprotokoller.

Forskerne håber også at anvende kvantemæssig virtuel køling til at undersøge fænomener ved lav temperatur, såsom d-bølge superledning, en form for høj temperatur superledning, som ikke er så godt forstået som lavtemperatur-superledning.

"Med hensyn til d-wave superledning, det ville være interessant at observere det som en lavtemperaturfase af Fermion-Hubbard-modellen, som eksperimentelt kan realiseres i laboratoriet, "Cotler sagde." Her, 'Fermion-Hubbard-modellen' er fysikjargon for et system med bestemte former for interaktioner, og med bestanddele, der er fermioner (hvoraf elektroner er et velkendt eksempel).

"Du kan spørge, hvorfor er dette særlige sæt interaktioner interessant, og hvorfor bekymrer vi os om observation af en d-bølge superledende fase ved lave temperaturer? Der er flere grunde. Den ene er, at Fermion-Hubbard-modellen er et godt system ud fra et teoretisk synspunkt, og det kan give indsigt i mere komplicerede systemer, som vi enten observerer i naturen, eller ønsker at konstruere.

"Imidlertid, det er svært at forstå lavtemperatur-superledning i systemet-ligningerne er for hårde, og det er næsten umuligt at simulere systemet på en computer, selvom vi har en supercomputer. En tilgang er at simulere Fermion-Hubbard-modellen på en kvantecomputer, men vi har endnu ikke en, der kan gøre det. I stedet, vi kan bygge en Fermion-Hubbard-model i laboratoriet, og udforske dens egenskaber ved lav temperatur ved at afkøle den. Med andre ord, vi har ikke brug for en kvantecomputer, fordi vi faktisk bygger det ønskede system i laboratoriet. Men nu er problemet faktisk at nedkøle det eksperimentelle system til lave nok temperaturer, så du kan se en superledende fase. Dette er i øjeblikket uden for rækkevidde, men det ser ud til, at virtuel kvantekøling kan hjælpe. "

© 2019 Science X Network