Fasning af kvanteudglødninger til eksperimenter fra ikke-ligevægtsfysik

Det er fastslået, at stof kan skifte mellem forskellige faser, når visse parametre, såsom temperatur, ændres. Selvom faseovergange er almindelige (som vand, der bliver til is i en fryser), dynamikken, der styrer disse processer, er yderst kompleks og udgør et fremtrædende problem inden for ikke-ligevægtsfysik.

Når et system gennemgår en faseovergang, stof i den nye fase har mange mulige energetisk lige "konfigurationer" at vedtage. I disse tilfælde, forskellige dele af systemet anvender forskellige konfigurationer over regioner kaldet "domæner." Grænsefladerne mellem disse domæner er kendt som topologiske defekter, og reducering af antallet af disse defekter, der er dannet, kan være uhyre værdifuld i mange applikationer.

En fælles strategi for at reducere defekter er at lette systemet langsomt gennem faseovergangen. Faktisk, i henhold til "Kibble-Zurek"-mekanismen (KZM), det forudsiges, at det gennemsnitlige antal defekter og køretiden for faseovergangen følger en universel magtlov. Imidlertid, eksperimentelt at teste KZM i et kvantesystem er forblevet et eftertragtet mål.

I en nylig undersøgelse offentliggjort i Physical Review Research , et team af forskere ledet af professor emeritus Hidetoshi Nishimori fra Tokyo Institute of Technology, Japan, undersøgte gyldigheden af ​​KZM i to kommercielt tilgængelige kvanteudglødningsapparater, en type kvantecomputer designet til at løse komplekse optimeringsproblemer. Disse enheder, kendt som D-Wave annealere, kan genskabe kontrollerbare kvantesystemer og kontrollere deres udvikling over tid, tilvejebringelse af et egnet eksperimentelt testbed til KZM.

Først, forskerne undersøgte, om "kraftloven" mellem det gennemsnitlige antal defekter og udglødningstiden (køretiden for faseovergangen) forudsagt af KZM holdt for et kvantemagnetisk system kaldet "en-dimensionelle tværfelts Ising-model." Denne model repræsenterer orienteringerne (spin) af en lang kæde af "magnetiske dipoler, "hvor homogene områder er adskilt af defekter, der ses som nabospin, der peger i forkerte retninger.

Mens den oprindelige forudsigelse fra KZM vedrørende det gennemsnitlige antal defekter var gyldig i dette system, videnskabsmændene tog det et skridt videre:selvom denne udvidelse af KZM oprindeligt var beregnet til et fuldstændigt "isoleret" kvantesystem upåvirket af eksterne parametre, de fandt god overensstemmelse mellem dets forudsigelser og deres eksperimentelle resultater selv i D-Wave-glødeapparaterne, som er "åbne" kvantesystemer.

Spændt over disse resultater, Prof Nishimori bemærker:"Vores arbejde giver den første eksperimentelle test af universel kritisk dynamik i et åbent kvantesystem med mange kroppe. Det udgør også den første test af bestemt fysik ud over den originale KZM, giver stærke eksperimentelle beviser for, at den generaliserede teori holder ud over det teoretisk etablerede validitetsregime."

Denne undersøgelse viser kvanteudglødningernes potentiale til at udføre simuleringer af kvantesystemer og hjælper også med at få indsigt i andre områder af fysikken. I denne forbindelse Prof Nishimori udtaler:"Vores resultater udnytter kvanteudglødningsanordninger som platforme til at teste og udforske grænserne for ikke-ligevægtsfysik. Vi håber, at vores arbejde vil motivere yderligere forskning, der kombinerer kvanteudglødning og andre universelle principper i ikke-ligevægtsfysik." Forhåbentlig, denne undersøgelse vil også fremme brugen af ​​kvanteudglødninger i eksperimentel fysik. Trods alt, hvem elsker ikke at finde en ny anvendelse af et værktøj?