Brug af miljøet til at kontrollere kvanteenheder

Singapore University of Technology and Design (SUTD) forskere har afsløret, hvordan miljøet kan påvirke meget følsom kvanteadfærd som lokalisering. Deres fund, udgivet i Kaos , kan føre til fremtidige innovationer inden for design af superledende materialer og kvanteenheder, inklusive super præcise sensorer.

Kvanteteknologi, især kvantesansning, lover at måle og fange vores verden på niveauer af præcision, som aldrig før har været muligt. Sådan præcision har forskellige anvendelser, fra hurtigere og mere følsom medicinsk billedbehandling til registreringstid på højfrekvente markedshandler, og endda udviklingen af ​​sensorer, der kan afgøre, om jorden under os er fast sten eller et naturligt olie-og-gas-reservoir.

Men på trods af alt dets teoretiske potentiale, Der er en betydelig praktisk udfordring tilbage, når man producerer kvantemåleapparater:at kontrollere, hvordan de reagerer på miljøet. Rigtige enheder er ekstremt følsomme over for støj, hvilket i bedste fald reducerer deres præcisionsniveau og i værste fald fører til uacceptable fejlniveauer. Når det kommer til at lave ultrapræcise sensorer, sådan støj kan overvælde alle nyttige signaler.

At forstå, hvordan kvanteenheder reagerer på støj, ville hjælpe forskere med at finde nye måder at beskytte dem mod støj, gør nye måle- og sensorteknologier mere gennemførlige. Ud over at øge deres nøjagtighed, forskere kan endda være i stand til at give kvanteudstyr nye egenskaber. "Hvis du kunne justere mængden af ​​støj, som disse enheder oplever, du kan få dem til at fungere meget anderledes og få en endnu mere interessant enhed, " forklarede lektor Dario Poletti fra SUTD, der ledede undersøgelsen.

For eksempel, videnskabsmænd har i årtier vidst, at uorden i et system kan forårsage et fænomen kaldet lokalisering, hvor et system sætter sig fast i sin oprindelige tilstand. På den anden side, når partiklerne i et system interagerer stærkt med hinanden, der er en mulighed for, at de kan blive 'løse, ' det er, udflyttet.

For at studere denne tovtrækkeri mellem uorden og interaktion, Poletti og ph.d. studerende Xiansong Xu tilføjede en tredje variabel:miljøet. Begyndende med en teoretisk model kendt som XXZ spin-kæden, forskerne viste, at miljøet kan have kontrasterende effekter på lokalisering, afhængig af styrken af ​​både lidelsen og interaktionen i systemet.

Udførelse af numeriske beregninger på modellen, forskerne fandt ud af, at det at sætte systemet i kontakt med et dissipativt miljø, såsom et bad af fotoner, skubbede det i retning af delokalisering og gjorde det mere mobilt, flydende og ensartet, som vand.

Vigtigere, de fandt også ud af, at mens både svagt og stærkt interagerende systemer stadig viste tegn på lokalisering, typerne af lokalisering var overraskende forskellige:en mere kornet og fast, som sand, og den anden, mere ensartet, mens du stadig sidder fast, som is.

Denne teoretiske opdagelse antyder, at visse materialers egenskaber kan tunes gennem ændringer i det ydre miljø. For eksempel, forskere kan måske forvandle et materiale fra en isolator til en leder ved at skinne lys på det - eller forvandle materialet fra en slags isolator til en anden, med applikationer, der går ud over kvanteteknologier til materialevidenskab og nanoelektronik.

"Der er allerede kvanteenheder derude, og vi vil sandsynligvis se flere og flere af dem, " sagde Poletti. "Enheder er aldrig virkelig isoleret fra deres miljøer, så vi vil gerne bedre forstå, hvordan de kan arbejde sammen med miljøet."

"Nu er søgen at grave dybere og lede efter forskellige systemer, eller gå mod rigtige materialer og se, hvad der ellers kan ske der, " tilføjede han. "Denne form for forskning er lavet over mange år. Vi forsøger at opbygge grundlæggende viden og værktøjer, så vi til sidst industrien kan tage over."