Emergent magnetiske monopoler isoleret ved hjælp af kvanteudglødningscomputer

Ved at bruge en D-Wave kvanteudglødningscomputer som testbed, forskere ved Los Alamos National Laboratory har vist, at det er muligt at isolere såkaldte emergent magnetiske monopoler, en klasse af kvasipartikler, skabe en ny tilgang til at udvikle "materialer by design."

"Vi ønskede at studere nye magnetiske monopoler ved at udnytte den kollektive dynamik af qubits, " sagde Cristiano Nisoli, en ledende Los Alamos forfatter af undersøgelsen. "Magnetiske monopoler, som elementarpartikler med kun én magnetisk pol, er blevet antaget af mange, og berømt af Dirac, men har vist sig at være uhåndgribelig indtil videre."

De realiserede en kunstig spin-is ved at bruge de superledende qubits fra kvantemaskinen som en magnetisk byggesten. At generere magnetiske materialer med eksotiske egenskaber på denne måde er banebrydende på mange måder. Deres proces brugte Gauss' lov til at fange monopoler, giver forskerne mulighed for at observere deres kvanteaktiverede dynamik og deres gensidige interaktion. Dette arbejde demonstrerer utvetydigt, at magnetiske monopoler ikke kun kan opstå fra en underliggende spinstruktur, men kan styres, isoleret og studeret præcist.

"Det blev vist i det sidste årti eller deromkring, at monopoler kan dukke op som kvasipartikler for at beskrive excitationsspin-iserne af forskellige geometrier. Tidligere, National High Magnetic Field Laboratory's Pulsed Field Facility her i Los Alamos var i stand til at 'lytte' til monopolstøj i kunstig spin-is. Og nu, ved hjælp af et D-Wave kvanteudglødningssystem, vi har nok kontrol til faktisk at fange en eller flere af disse partikler og studere dem individuelt. Vi så dem gå rundt, bliver klemt fast, og bliver skabt og tilintetgjort i par af modsat magnetisk ladning. Og vi kunne således bekræfte vores kvantitative teoretiske forudsigelser, at de interagerer og faktisk screener hinanden, sagde Nisoli.

"D-Waves processorer er designet til at udmærke sig inden for optimering, men kan også bruges som kvantesimulatorer. Ved at programmere de ønskede interaktioner af vores magnetiske materiale ind i D-Waves qubits, vi kan udføre eksperimenter, der ellers er ekstremt vanskelige, " sagde Andrew King, direktør for Performance Research hos D-Wave og en forfatter på papiret. "Dette samarbejde, proof-of-principle-arbejde demonstrerer nye eksperimentelle kapaciteter, forbedring af kraften og alsidigheden af ​​kunstige spin-is-studier. Evnen til programmæssigt at manipulere emergente kvasipartikler kan blive et nøgleaspekt for materialeteknologi og endda topologisk kvanteberegning; vi håber, det vil være grundlaget for fremtidig forskning."

Nisoli tilføjede, "Vi har kun ridset overfladen af ​​denne tilgang. Tidligere kunstige spin-is-systemer blev realiseret med nanomagneter, og de adlød klassisk fysik. Denne erkendelse er i stedet fuldstændig kvantum. For at undgå at springe ud, har vi indtil videre koncentreret os om en kvasi-klassisk undersøgelse, men i fremtiden, vi kan virkelig skrue op for de kvanteudsving, og undersøge meget rettidige spørgsmål om dekohærens, hukommelse, kvanteinformation, og topologisk orden, med betydelige teknologiske implikationer."

"Disse resultater har også teknologiske konsekvenser, der er særligt relevante for DOE og Los Alamos, specifikt i ideen om materialer-by-design, at producere fremtidige nanomagneter, der kan vise avanceret og ønskværdig funktionalitet til sansning og beregning. Monopoler, som binære informationsbærere, kan være relevant for spintronics. De bidrager også væsentligt til Los Alamos D-Wave-investeringer, " bemærkede Alejandro Lopez-Bezanilla fra Los Alamos, der arbejder på D-Wave-processoren og samlede teamet.

Nisoli, i øvrigt, foreslår, at udover frugtbare applikationer, disse resultater kunne måske også give stof til eftertanke til fundamental fysik."Vores grundlæggende teorier om partikler er parametriserede modeller. Man spørger sig selv:hvad er en partikel? Vi viser her eksperimentelt, at ikke kun partikler, men også deres langrækkende interaktioner kan være højere -niveaubeskrivelse af en meget enkel underliggende struktur, en kun koblet hos nærmeste naboer. Kunne endda 'rigtige' partikler og interaktioner, som vi anser for grundlæggende, såsom leptoner og kvarker, i stedet fortolkes som en emergent, højere niveau beskrivelse af et mere komplekst lavere niveau binært substrat, meget som vores monopoler, der dukker op fra en masse qubits?"