Kvanteværktøj åbner døren til ukendte fænomener

Entanglement er et kvantefænomen, hvor to eller flere partiklers egenskaber bliver forbundne på en sådan måde, at man ikke længere kan tildele hver enkelt partikel en bestemt tilstand. Vi er snarere nødt til at overveje alle partikler på én gang, der deler en bestemt tilstand. Sammenfiltringen af ​​partiklerne bestemmer i sidste ende et materiales egenskaber.

"Entangleding af mange partikler er den egenskab, der gør forskellen," siger Christian Kokail, en af ​​de første forfattere af papiret udgivet i Nature . "Samtidig er det dog meget svært at afgøre."

Forskerne ledet af Peter Zoller ved universitetet i Innsbruck og Institut for kvanteoptik og kvanteinformation (IQOQI) fra det østrigske videnskabsakademi (ÖAW) giver nu en ny tilgang, der markant kan forbedre undersøgelsen og forståelsen af ​​sammenfiltring i kvantematerialer .

For at beskrive store kvantesystemer og udtrække information fra dem om den eksisterende sammenfiltring, ville man naivt være nødt til at udføre et umuligt stort antal målinger. "Vi har udviklet en mere effektiv beskrivelse, som giver os mulighed for at udtrække sammenfiltringsinformation fra systemet med drastisk færre målinger," forklarer teoretisk fysiker Rick van Bijnen.

I en ionfælde kvantesimulator med 51 partikler har forskerne efterlignet et rigtigt materiale ved at genskabe det partikel for partikel og studere det i et kontrolleret laboratoriemiljø. Meget få forskningsgrupper på verdensplan har den nødvendige kontrol over så mange partikler som Innsbruck-eksperimentelle fysikere ledet af Christian Roos og Rainer Blatt.

"Den største tekniske udfordring, vi står over for her, er, hvordan vi opretholder lave fejlrater, mens vi kontrollerer 51 ioner fanget i vores fælde og sikrer gennemførligheden af ​​individuel qubit-kontrol og udlæsning," forklarer eksperimentel Manoj Joshi.

I processen oplevede forskerne for første gang effekter i eksperimentet, som tidligere kun var blevet beskrevet teoretisk. "Her har vi kombineret viden og metoder, som vi møjsommeligt har udarbejdet i fællesskab gennem de seneste år. Det er imponerende at se, at man kan gøre disse ting med de ressourcer, der er til rådighed i dag," siger Kokail, der for nyligt kom til Institut for Teoretisk Atommolekylær og Optisk fysik ved Harvard.

Genvej via temperaturprofiler

I et kvantemateriale kan partikler være mere eller mindre stærkt viklet ind. Målinger på en stærkt sammenfiltret partikel giver kun tilfældige resultater. Hvis resultaterne af målingerne svinger meget - dvs. hvis de er rent tilfældige - så omtaler videnskabsmænd dette som "hot". Hvis sandsynligheden for et bestemt resultat stiger, er det et "koldt" kvanteobjekt. Kun målingen af ​​alle sammenfiltrede objekter afslører den nøjagtige tilstand.

I systemer, der består af rigtig mange partikler, øges indsatsen for målingen enormt. Kvantefeltteori har forudsagt, at underområder af et system af mange sammenfiltrede partikler kan tildeles en temperaturprofil. Disse profiler kan bruges til at udlede graden af ​​sammenfiltring af partiklerne.

I Innsbruck kvantesimulator bestemmes disse temperaturprofiler via en feedback-loop mellem en computer og kvantesystemet, hvor computeren konstant genererer nye profiler og sammenligner dem med de faktiske målinger i eksperimentet.

Temperaturprofilerne opnået af forskerne viser, at partikler, der interagerer stærkt med miljøet, er "varme", og dem, der interagerer lidt, er "kolde."

"Det er helt i tråd med forventningerne om, at sammenfiltringen er særlig stor, hvor interaktionen mellem partikler er stærk," siger Kokail.

"De metoder, vi har udviklet, giver et stærkt værktøj til at studere storstilet sammenfiltring i korreleret kvantestof. Dette åbner døren til studiet af en ny klasse af fysiske fænomener med kvantesimulatorer, som allerede er tilgængelige i dag," siger Zoller.

"Med klassiske computere kan sådanne simuleringer ikke længere beregnes med rimelig indsats." Metoderne udviklet i Innsbruck vil også blive brugt til at teste ny teori på sådanne platforme.

Flere oplysninger: Peter Zoller, Udforskning af storstilet sammenfiltring i kvantesimulering, Nature (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06768-0. www.nature.com/articles/s41586-023-06768-0

Journaloplysninger: Natur

Leveret af University of Innsbruck