Als we het hebben over "informatietechnologie, "we bedoelen over het algemeen het technologiegedeelte, zoals computers, netwerken, en software. Maar informatie zelf, en zijn gedrag in kwantumsystemen, is een centrale focus voor de interdisciplinaire Quantum Engineering Group (QEG) van MIT bij het ontwikkelen van kwantumcomputers en andere toepassingen van kwantumtechnologie.

Een QEG-team heeft ongekend inzicht gegeven in de verspreiding van informatie in grote kwantummechanische systemen, via een nieuwe meetmethode en metriek beschreven in een nieuw artikel in Physics Review Letters. Het team heeft kunnen Voor de eerste keer, om de verspreiding van correlaties tussen kwantumspins in fluorapatietkristal te meten, met behulp van een aanpassing van vaste-stof kernmagnetische resonantie (NMR) technieken bij kamertemperatuur.

Onderzoekers geloven steeds meer dat een beter begrip van de verspreiding van informatie niet alleen essentieel is om de werking van het kwantumrijk te begrijpen, waar klassieke natuurwetten vaak niet van toepassing zijn, maar kan ook helpen bij het ontwerpen van de interne "bedrading" van kwantumcomputers, sensoren, en andere apparaten.

Een belangrijk kwantumfenomeen is niet-klassieke correlatie, of verstrikking, waarin paren of groepen van deeltjes een zodanige wisselwerking hebben dat hun fysische eigenschappen niet onafhankelijk kunnen worden beschreven, zelfs wanneer de deeltjes ver van elkaar gescheiden zijn.

Die relatie staat centraal in een snel voortschrijdend veld in de natuurkunde, kwantum informatie theorie. Het poneert een nieuw thermodynamisch perspectief waarin informatie en energie met elkaar verbonden zijn - met andere woorden, die informatie is fysiek, en dat het delen van informatie op kwantumniveau ten grondslag ligt aan de universele neiging tot entropie en thermisch evenwicht, in kwantumsystemen bekend als thermalisatie.

QEG-hoofd Paola Cappellaro, de Esther en Harold E. Edgerton universitair hoofddocent nucleaire wetenschap en techniek, co-auteur van het nieuwe artikel met natuurkundestudent Ken Xuan Wei en oude medewerker Chandrasekhar Ramanathan van Dartmouth College.

Cappellaro legt uit dat een primair doel van het onderzoek het meten van de strijd op kwantumniveau tussen twee toestanden van materie was:thermalisatie en lokalisatie, een toestand waarin informatieoverdracht wordt beperkt en de neiging tot hogere entropie op de een of andere manier wordt weerstaan ​​door wanorde. Het werk van het QEG-team concentreerde zich op het complexe probleem van veellichaamslokalisatie (MBL), waarbij de rol van spin-spin-interacties van cruciaal belang is.

De mogelijkheid om deze data experimenteel te verzamelen in een lab is een doorbraak, gedeeltelijk omdat simulatie van kwantumsystemen en lokalisatie-thermalisatie-overgangen extreem moeilijk is, zelfs voor de krachtigste computers van vandaag. "De omvang van het probleem wordt heel snel onhandelbaar, als je interacties hebt, "zegt Cappellaro. "Je kunt misschien 12 spins simuleren met brute kracht, maar dat is het dan ook - veel minder dan het experimentele systeem kan verkennen."

NMR-technieken kunnen het bestaan ​​van correlaties tussen spins onthullen, omdat gecorreleerde spins sneller roteren onder aangelegde magnetische velden dan geïsoleerde spins. Echter, traditionele NMR-experimenten kunnen slechts gedeeltelijke informatie over correlaties extraheren. De QEG-onderzoekers combineerden die technieken met hun kennis van de spindynamiek in hun kristal, waarvan de geometrie de evolutie bij benadering beperkt tot lineaire spinketens.

"Die aanpak stelde ons in staat om een ​​statistiek te bedenken, gemiddelde correlatielengte, voor hoeveel spins met elkaar verbonden zijn in een ketting, " zegt Cappellaro. "Als de correlatie groeit, het vertelt je dat interactie wint van de stoornis die lokalisatie veroorzaakt. Als de correlatielengte stopt met groeien, wanorde wint en houdt het systeem in een meer kwantum-gelokaliseerde staat."

Naast het kunnen onderscheiden tussen verschillende soorten lokalisatie (zoals MBL en de eenvoudigere Anderson-lokalisatie), de methode vertegenwoordigt ook een mogelijke vooruitgang in de richting van het vermogen om deze systemen te beheersen door de introductie van wanorde, die lokalisatie bevordert, voegt Capellaro toe. Omdat MBL informatie bewaart en voorkomt dat deze vervormd wordt, het heeft potentieel voor geheugentoepassingen.

De focus van het onderzoek "beantwoordt een zeer fundamentele vraag over de basis van thermodynamica, de vraag waarom systemen thermaliseren en zelfs waarom het begrip temperatuur überhaupt bestaat, ", zegt voormalig MIT-postdoc Iman Marvian, die nu een assistent-professor is in de afdelingen Natuurkunde en Elektrotechniek en Computertechniek van Duke University. "In de afgelopen 10 jaar of zo is er steeds meer bewijs, van analytische argumenten tot numerieke simulaties, dat hoewel verschillende delen van het systeem met elkaar in wisselwerking staan, in de MBL-fase thermaliseren de systemen niet. En het is heel spannend dat we dit nu in een echt experiment kunnen waarnemen."

"Mensen hebben verschillende manieren voorgesteld om deze fase van materie te detecteren, maar ze zijn moeilijk te meten in een lab, Marvian legt uit. "Paola's groep bestudeerde het vanuit een nieuw gezichtspunt en introduceerde grootheden die gemeten kunnen worden. Ik ben echt onder de indruk van hoe ze uit deze NMR-experimenten nuttige informatie over MBL hebben kunnen halen. Het is een grote vooruitgang, omdat het het mogelijk maakt om te experimenteren met MBL op een natuurlijk kristal."

Het onderzoek was in staat om gebruik te maken van NMR-gerelateerde capaciteiten die zijn ontwikkeld in het kader van een eerdere subsidie ​​van de Amerikaanse luchtmacht, zegt Capellaro, en wat extra financiering van de National Science Foundation. De vooruitzichten voor dit onderzoeksgebied zijn veelbelovend, zij voegt toe. "Voor een lange tijd, het meeste quantumonderzoek met veel lichamen was gericht op evenwichtseigenschappen. Nutsvoorzieningen, omdat we nog veel meer experimenten kunnen doen en kwantumsystemen willen engineeren, er is veel meer interesse in dynamiek, en nieuwe programma's gewijd aan dit algemene gebied. Dus hopelijk kunnen we meer financiering krijgen en het werk voortzetten."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.