Een groep wetenschappers onder leiding van Johannes Fink van het Institute of Science and Technology Austria (IST Oostenrijk) rapporteerde de eerste experimentele waarneming van een eerste-orde faseovergang in een dissipatief kwantumsysteem. Faseovergangen omvatten verschijnselen als het bevriezen van water bij de kritische temperatuur van 0 graden Celsius. Echter, faseovergangen komen ook voor op het kwantummechanische niveau, waar ze nog relatief onontgonnen zijn door onderzoekers.

Een voorbeeld van een faseovergang op kwantumniveau is de afbraak van fotonenblokkades, die pas twee jaar geleden werd ontdekt. Tijdens fotonenblokkade, een foton vult een holte in een optisch systeem en verhindert dat andere fotonen dezelfde holte binnendringen totdat het weggaat, vandaar het blokkeren van de stroom van fotonen. Maar als de fotonenflux tot een kritisch niveau stijgt, er wordt een kwantumfaseovergang voorspeld:de fotonenblokkade breekt af, en de toestand van het systeem verandert van ondoorzichtig naar transparant. Deze specifieke faseovergang is nu experimenteel waargenomen door onderzoekers die, Voor de eerste keer, voldeed aan de zeer specifieke voorwaarden die nodig zijn om dit effect te bestuderen.

Tijdens een faseovergang het continu afstemmen van een externe parameter, bijvoorbeeld temperatuur, leidt tot een overgang tussen twee robuuste stabiele toestanden met verschillende attributen. Eerste-orde faseovergangen worden gekenmerkt door een coëxistentie van de twee stabiele fasen wanneer de regelparameter binnen een bepaald bereik dichtbij de kritische waarde ligt. De twee fasen vormen een gemengde fase waarin sommige delen de overgang hebben voltooid en andere niet, zoals in een glas met ijswater. De experimentele resultaten die Fink en zijn medewerkers in het tijdschrift zullen publiceren Fysieke beoordeling X inzicht geven in de kwantummechanische basis van dit effect in een microscopische, nuldimensionaal systeem.

Hun opstelling bestond uit een microchip met een supergeleidende microgolfresonator als holte en een paar supergeleidende qubits als atomen. De chip werd afgekoeld tot een temperatuur die verbazingwekkend dicht bij het absolute nulpunt lag - 0,01 Kelvin - zodat thermische fluctuaties geen rol speelden. Om een ​​flux van fotonen te produceren, de onderzoekers stuurden vervolgens een continue microgolftoon naar de ingang van de resonator op de chip. Aan de uitvoerzijde, ze versterkten en maten de uitgezonden microgolfflux. Voor bepaalde ingangsvermogens, ze ontdekten een signaal dat stochastisch wisselde tussen nultransmissie en volledige transmissie, waaruit blijkt dat de verwachte coëxistentie van beide fasen had plaatsgevonden. "We hebben deze willekeurige omschakeling tussen ondoorzichtig en transparant voor de eerste keer waargenomen en in overeenstemming met theoretische voorspellingen, ", zegt hoofdauteur Johannes Fink van IST Oostenrijk.

Mogelijke toekomstige toepassingen zijn geheugenopslagelementen en processors voor kwantumsimulatie. "Ons experiment duurde precies 1,6 milliseconden om te voltooien voor een bepaald ingangsvermogen. De bijbehorende numerieke simulatie duurde een paar dagen op een nationaal supercomputercluster. Dit geeft een idee waarom deze systemen nuttig zouden kunnen zijn voor kwantumsimulaties, ’ legt Fink uit.

Johannes Fink kwam in 2016 naar IST Oostenrijk om zijn werkgroep over Quantum Integrated Devices te starten. Het belangrijkste doel van zijn groep is het bevorderen en integreren van kwantumtechnologie voor op chips gebaseerde berekeningen, communicatie, en voelen.