En ny type køling til kvantesimulatorer

Jo koldere, jo bedre

Den afgørende faktor, der normalt begrænser egnetheden af ​​sådanne kvantesimulatorer på nuværende tidspunkt, er deres temperatur. "Jo bedre vi afkøler kondensatets interessante frihedsgrader, jo bedre kan vi arbejde med det, og jo mere kan vi lære af det," siger Prüfer.

Der er forskellige måder at køle noget ned på:For eksempel kan du køle en gas ved at øge dens volumen meget langsomt. Med ekstremt kolde Bose-Einstein-kondensater bruges typisk andre tricks:De mest energiske atomer fjernes hurtigt, indtil der kun er en samling atomer tilbage, som har en ret ensartet lavenergi og derfor er køligere.

"Men vi bruger en helt anden teknik," siger Tiantian Zhang, førsteforfatter af undersøgelsen, som undersøgte dette emne som en del af sin doktorafhandling ved Doctoral College i Wien Center for Quantum Science and Technology. "Vi skaber et Bose-Einstein-kondensat og deler det derefter i to dele ved at skabe en barriere i midten."

Antallet af partikler, der ender på højre og venstre side af barrieren, er ikke bestemt. På grund af kvantefysikkens love er der en vis usikkerhed her. Man kan sige, at begge sider er i en kvantefysisk superposition af forskellige partikelantaltilstande.

"I gennemsnit er præcis 50% af partiklerne til venstre og 50% til højre," siger Prüfer. "Men kvantefysikken siger, at der altid er visse udsving. Udsvingene, dvs. afvigelserne fra den forventede værdi, er tæt forbundet med temperaturen."

Køling ved at kontrollere udsvingene

Forskerholdet ved TU Wien kunne påvise, at hverken en ekstrem brat eller ekstrem langsom spaltning af Bose-Einstein-kondensatet er optimal. Der skal findes et kompromis, en smart skræddersyet måde til dynamisk at opdele kondensatet, for at kontrollere kvanteudsvingene så godt som muligt.

Dette kan ikke beregnes; problemet kan ikke løses ved hjælp af konventionelle computere. Men med eksperimenter var forskerholdet i stand til at vise, at den passende spaltningsdynamik kan bruges til at undertrykke fluktuationen i antallet af partikler, og det udmønter sig igen i en reduktion af temperaturen, som du ønsker at minimere.

"Forskellige temperaturskalaer eksisterer samtidigt i dette system, og vi sænker en meget specifik af dem," forklarer Prüfer. "Så man kan ikke tænke på det som et minikøleskab, der generelt bliver mærkbart koldere. Men det er ikke det, vi taler om:at undertrykke udsvingene er præcis, hvad vi skal bruge for at kunne bruge vores system som en kvantesimulator selv bedre end før. Vi kan nu bruge det til at besvare spørgsmål fra grundlæggende kvantefysik, som tidligere var utilgængelige."

Flere oplysninger: Tiantian Zhang et al., Squeezing Oscillations in a Multimode Bosonic Josephson Junction, Physical Review X (2024). DOI:10.1103/PhysRevX.14.011049

Journaloplysninger: Fysisk gennemgang X

Leveret af Vienna University of Technology