Meddeler fødslen af ​​QUIONE, en unik analog kvanteprocessor

Kvantefysik kræver højpræcisionsfølingsteknikker for at dykke dybere ned i materialers mikroskopiske egenskaber. Fra de analoge kvanteprocessorer, der er opstået for nylig, har kvantegasmikroskoper vist sig at være kraftfulde værktøjer til at forstå kvantesystemer på atomniveau. Disse enheder producerer billeder af kvantegasser med meget høj opløsning:De gør det muligt at detektere individuelle atomer.

Nu forklarer ICFO-forskere (Barcelona, ​​Spanien) Sandra Buob, Jonatan Höschele, Dr. Vasiliy Makhalov og Dr. Antonio Rubio-Abadal, ledet af ICREA-professor ved ICFO Leticia Tarruell, hvordan de byggede deres eget kvantegasmikroskop, kaldet QUIONE efter den græske snegudinde. Gruppens kvantegasmikroskop er det eneste i verden, der afbilder individuelle atomer af strontiumkvantegasser, såvel som det første af sin slags i Spanien.

Holdets forskning er publiceret i tidsskriftet PRX Quantum .

Ud over de virkningsfulde billeder, hvor individuelle atomer kan skelnes, er målet med QUIONE kvantesimulering. Som prof. Tarruell forklarer, "Kvantesimulering kan bruges til at koge meget komplicerede systemer ned til enklere modeller for at forstå de åbne spørgsmål, som nuværende computere ikke kan besvare, såsom hvorfor nogle materialer leder elektricitet uden tab selv ved relativt høje temperaturer."

Det særlige ved dette eksperiment ligger i det faktum, at holdet har formået at bringe strontiumgassen til kvanteregimet, placere den i et optisk gitter, hvor atomerne kunne interagere ved kollisioner, og derefter anvende enkeltatoms billeddannelsesteknikker. Disse tre ingredienser gør tilsammen ICFO's strontium kvantegasmikroskop unikt.

Hvorfor strontium?

Indtil nu har disse mikroskopopstillinger været afhængige af alkaliske atomer, som lithium og kalium, som har enklere egenskaber med hensyn til deres optiske spektrum sammenlignet med jordalkaliatomer såsom strontium. Det betyder, at strontium tilbyder flere ingredienser at lege med i disse eksperimenter.

Faktisk har strontiums unikke egenskaber i de senere år gjort det til et meget populært element til applikationer inden for kvanteberegning og kvantesimulering. For eksempel kan en sky af strontiumatomer bruges som en atomisk kvanteprocessor, som kunne løse problemer ud over de nuværende klassiske computeres muligheder.

Alt i alt så ICFO-forskere et stort potentiale for kvantesimulering i strontium, og de begyndte at bygge deres eget kvantegasmikroskop. Sådan blev QUIONE født.

QUIONE, en kvantesimulator af rigtige krystaller

Til dette formål sænkede holdet først temperaturen på strontiumgassen. Ved at bruge kraften fra flere laserstråler reducerede de atomernes hastighed til et punkt, hvor de forblev næsten ubevægelige, næsten ikke bevægede sig, og deres temperatur blev reduceret til næsten det absolutte nul på blot et par millisekunder. Efter dette tidspunkt styrede kvantemekanikkens love deres adfærd, og atomerne viste nye funktioner som kvantesuperposition og sammenfiltring.

Derefter aktiverede forskerne ved hjælp af specielle lasere det optiske gitter, som holder atomerne arrangeret i et gitter langs rummet.

"Du kan forestille dig det som en æggekarton, hvor de enkelte steder faktisk er der, hvor du lægger æggene. Men i stedet for æg har vi atomer, og i stedet for en karton har vi det optiske gitter," forklarer Buob, førsteforfatteren. af artiklen.

Atomerne i æggebægeret interagerede med hinanden og oplevede nogle gange kvantetunnel for at bevæge sig fra et sted til et andet. Denne kvantedynamik mellem atomer efterligner elektronernes i visse materialer. Derfor kan studiet af disse systemer kaste lys over visse materialers komplekse adfærd, hvilket er nøgleideen ved kvantesimulering.

Forskerne tog billederne med deres mikroskop, så snart gassen og det optiske gitter var klar og endelig kunne observere deres strontium kvantegas atom for atom. På dette tidspunkt havde konstruktionen af ​​QUIONE allerede været en succes, men dens skabere ønskede at få endnu mere ud af det.

Ud over billederne tog de således videoer af atomerne og var i stand til at observere, at mens atomerne skulle forblive stille under billeddannelsen, sprang de nogle gange til et nærliggende gittersted. Fænomenet kvantetunneling kan forklare dette.

"Atomerne 'hoppede' fra et sted til et andet. Det var noget meget smukt at se, da vi bogstaveligt talt var vidne til en direkte manifestation af deres iboende kvanteadfærd," siger Buob.

Til sidst brugte forskergruppen deres kvantegasmikroskop til at bekræfte, at strontiumgassen var en superfluid, en kvantefase af stof, der flyder uden viskositet.

"Vi slukkede pludselig gitterlaseren, så atomerne kunne udvide sig i rummet og interferere med hinanden. Dette genererede et interferensmønster på grund af bølge-partikel-dualiteten af ​​atomerne i superfluiden. Da vores udstyr fangede det, verificerede vi det. tilstedeværelsen af ​​superfluiditet i prøven," forklarer Dr. Rubio-Abadal.

"Det er et meget spændende øjeblik for kvantesimulering," bemærker prof. Tarruell. "Nu hvor vi har tilføjet strontium til listen over tilgængelige kvantegasmikroskoper, vil vi måske snart kunne simulere mere komplekse og eksotiske materialer. Så forventes der at opstå nye faser af stof. Og vi forventer også at opnå meget mere beregningsmæssigt magt til at bruge disse maskiner som analoge kvantecomputere."

Flere oplysninger: Sandra Buob et al., A Strontium Quantum-Gas Microscope, PRX Quantum (2024). DOI:10.1103/PRXQuantum.5.020316

Journaloplysninger: PRX Quantum

Leveret af ICFO