Kontrol af kvante:Simuleringer afslører detaljer om, hvordan partikler interagerer

I hverdagen, sagen opfører sig på en forudsigelig måde, forventede måde. Hvis du kaster en bold, du antager, at den vil rejse i en bestemt retning og have et forudsigeligt rekyl. Hvad mere er, kræfter, der udøves på en genstand, vil ikke have indflydelse på en anden, selvstændigt objekt.

Men i kvantemekanikken – den lillebittes fysik – er reglerne helt anderledes. I en, to, og tre-partikelsystemer, handlinger, der sker ét sted, kan stærkt påvirke atomer langt væk. Forskere har endnu ikke en fuld forståelse af dette, men ved at analysere adfærden af ​​disse systemer og mere komplekse, de håber på at finde indsigt.

Forskere fra Quantum Systems Unit ved Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST), sammen med samarbejdspartnere på University College Dublin og Durham University, simulerede et af disse systemer, som afslørede kvantetilstande - måder, hvorpå partikler arrangerer sig i isolerede systemer - som var uventede. Deres resultater, udgivet i New Journal of Physics , kunne have applikationer til kvanteteknologier.

"Hvis du smider en sten fra en båd, stenen går den ene vej og båden går den anden vej, " forklarede professor Thomas Busch, hvem leder enheden. "I kvantemekanik, vi kan have meget stærkere korrelationer på meget større afstande. Det er ligesom hvis du tager en rød sok og en grøn sok på, så nogen i Antarktis, som du aldrig har mødt, skulle gøre det samme. Og vores arbejde har fundet nye tilstande med disse meget stærke korrelationer, som kan kontrolleres meget godt."

Eksperimenterer med to atomer

Når videnskabsmænd forsker i makroskopiske systemer, de har en tendens til at se på mange partikler – f.eks. 1, 023. Fordi der er så mange, de kan ikke følge hvert atom og må lave antagelser. For at undgå dette, forskerne i denne undersøgelse brugte en anden mulighed.

"Vi simulerede et system med kun to atomer, " sagde førsteforfatter Ayaka Usui, en ph.d. elev i enheden. "Dette gav en byggesten til det større system, men vi kunne kontrollere alt og se præcis, hvad der skete. Og, for yderligere at kontrollere dette system, vi betragtede superkolde atomer."

Ved stuetemperatur, partikler bevæger sig meget hurtigt rundt. Jo varmere det er, jo hurtigere bevæger de sig. Ved at bruge laserkøling, disse atomer kan sænkes og afkøles, indtil de når næsten nul hastighed og dermed er superkolde. Dette gjorde det meget lettere for Ayaka og kolleger at beskrive dem i deres simuleringer.

I et system som dette, det enkleste, partiklerne kan gøre, er at kollidere med hinanden. Dette tvinger dem til at bevæge sig rundt og ændre retning, men partikler har også noget, der hedder spin. En partikels spin peger enten op eller ned og påvirker yderligere, hvordan den bevæger sig - en effekt kaldet spin-orbit-kobling. Da forskerne simulerede et system med to superkolde atomer, der var spin-orbit koblet, disse nye stater, med deres meget stærke sammenhænge, blev afsløret.

"Vi har systemerne med to-partikler, hvor du får disse tilstande og dem med 1, 023 hvor du ikke gør det, " sagde Dr. Thomas Fogarty, Postdoktor i enheden. "Et eller andet sted langs denne lange kæde af tilføjende partikler, disse nye stater forsvinder. "

Engineering yderligere indsigt

"Sammen med de nye stater, vi har opdaget formlerne, der beskriver dette system nøjagtigt, " sagde Ayaka. "Så nu, vi kan konstruere det."

Ved at finde disse formler, forskerne har kontrol over systemet, og de planlægger nu at ændre parametrene for at se på systemets dynamik.

"Vi vil opdele systemet, så vi har to af dem, " sagde Ayaka. "Vi kan bruge de stærke korrelationer til at hjælpe os med at måle systemet. Hvis vi finder et atom i et af systemerne, vi ved, at den anden også er i den, uden at måle det, fordi de er tæt korrelerede."

Selvom denne forskning kun koncentrerer sig om et lille aspekt af, hvad kvantemekanik kan gøre, det har mange applikationer, sagde professor Busch.

"Kvanteteknologier har brug for disse korrelationer, "forklarede han." Disse nye stater har de stærkeste ikke-klassiske korrelationer, som vi kender, og vi kan konstruere dem. Med denne forskning, vi kunne bygge mere kraftfulde computere. Vi kunne skabe måleapparater, der måler bittesmå forskelle i tyngdekraften eller elektriske impulser i hjernen. Der er så mange applikationer at arbejde efter. "