En dejlig dag til en kvantevandring

Forskere ved Center for Quantum Information and Quantum Biology ved Osaka University brugte fangede ioner til at demonstrere spredningen af ​​vibrationskvanter som en del af en tilfældig kvantevandring. Dette arbejde er afhængig af deres udsøgte kontrol af individuelle ioner ved hjælp af lasere, og kan føre til nye kvantesimuleringer af biologiske systemer.

Her er et simpelt spil, du kan spille med en gruppe venner. Alle stiller op skulder ved skulder, og derefter vender hver person en mønt for at beslutte, om han vil tage et skridt frem eller tilbage. Efter et par runder med flip, du vil opdage, at din pæne linje vil have spredt sig tilfældigt. Selvom dette spil lyder meget forenklet, forskere har fundet ud af, at disse "tilfældige ture" er utrolig nyttige til at forklare forskellige fænomener fra molekylær spredning til problemer i statistik og sandsynlighed.

Blandt de meget underlige træk ved kvantemekanikken – fysikkens love, der styrer små objekters adfærd som individuelle atomer – er den overraskende blanding af tilfældighed og forudsigelighed. I særdeleshed, mens sandsynligheden for at finde en partikel på et bestemt sted spreder sig forudsigeligt over tid, som krusninger i dam, når du rent faktisk foretager en måling er der en iboende usikkerhed. Dette gør kvante tilfældige gåture fundamentalt forskellige fra deres konventionelle kolleger. I modsætning til gasmolekyler, der spreder sig i et rum, bølgerne af en kvantes tilfældig gang kan forstyrre sig selv, skabe et tydeligt svingningsmønster.

Forskerne ved Osaka University startede med at skabe en kunstig krystal ved at fange en række af fire calciumioner med lasere. Ionerne kunne stadig påvirke hinanden med deres elektriske ladning. Derefter, holdet viste, at de kunne få en ion til at vibrere ved at skinne en separat laser på den.

Denne mindst mulige vibration, kaldet en fonon, fungerede som en energipakke, der kunne sendes til en naboion. Som første forfatter Masaya Tamura forklarer, "Ved at bruge evnen til at forberede og observere en lokaliseret fonon, dens udbredelse i en lineær fire-ion krystal kan observeres med opløsning på et enkelt sted. "Ved at vente i forskellige tidsrum op til 10 millisekunder, de målte fononplaceringer matchede de teoretiske forudsigelser.

"Vores system, der bruger fononer, tilbyder en platform til at realisere kvantesimuleringer til at studere åbne spørgsmål i kemi og biologi, " siger seniorforfatter Kenji Toyoda. "F.eks. det er blevet antaget, at fotosyntesens utrolige 95% effektivitet afhænger af, i hvert fald delvist, på, at kvante tilfældige vandringer virker anderledes end klassisk tilfældighed. Systemet vist her kan muligvis løse disse og andre vigtige problemer."