Nieuw onderzoek geeft inzicht in een recent experiment dat via een kwantumsimulator een ongekend aantal atomen kon manipuleren. Deze nieuwe theorie zou een nieuwe stap kunnen zijn op het pad naar het creëren van de ongrijpbare kwantumcomputers.

Een internationaal team van onderzoekers, geleid door de Universiteit van Leeds en in samenwerking met het Instituut voor Wetenschap en Technologie Oostenrijk en de Universiteit van Genève, heeft een theoretische verklaring gegeven voor het specifieke gedrag van individuele atomen die werden gevangen en gemanipuleerd in een recent experiment van Harvard University en MIT. Het experiment gebruikte een systeem van fijn afgestemde lasers om als "optisch pincet" te fungeren om een ​​opmerkelijk lange keten van 51 atomen samen te stellen.

Toen de kwantumdynamica van de atoomketen werd gemeten, er waren verrassende schommelingen die veel langer aanhielden dan verwacht en die niet verklaard konden worden.

Studie co-auteur, Dr. Zlatko Papic, Docent theoretische fysica in Leeds, zei:"Het vorige Harvard-MIT-experiment creëerde verrassend robuuste oscillaties die de atomen gedurende langere tijd in een kwantumtoestand hielden. We vonden deze oscillaties nogal raadselachtig omdat ze suggereerden dat atomen op de een of andere manier in staat waren om hun oorspronkelijke configuratie te "herinneren" terwijl nog steeds chaotisch.

"Ons doel was om meer in het algemeen te begrijpen waar dergelijke trillingen vandaan kunnen komen, omdat oscillaties een soort samenhang betekenen in een chaotische omgeving - en dit is precies wat we willen van een robuuste kwantumcomputer. Ons werk suggereert dat deze oscillaties te wijten zijn aan een nieuw fysiek fenomeen dat we 'quantum veellichaamslitteken' noemden."

In het dagelijkse leven, deeltjes zullen van elkaar afkaatsen totdat ze de hele ruimte verkennen, uiteindelijk in een evenwichtstoestand terechtkomen. Dit proces wordt thermalisatie genoemd. Een kwantumlitteken is wanneer een speciale configuratie of pad een afdruk achterlaat in de toestand van de deeltjes waardoor ze de hele ruimte niet kunnen vullen. Dit voorkomt dat de systemen thermalisatie bereiken en stelt ze in staat om enkele kwantumeffecten te behouden.

Dr. Papic zei:"We leren dat kwantumdynamica veel complexer en ingewikkelder kan zijn dan alleen thermalisatie. Het praktische voordeel is dat langere perioden van oscillaties precies zijn wat nodig is om kwantumcomputers werkelijkheid te laten worden. De informatie die wordt verwerkt en die op deze computers worden opgeslagen, zijn afhankelijk van het op elk moment in meer dan één toestand houden van de atomen, het is een constante strijd om te voorkomen dat de deeltjes in een evenwicht terechtkomen."

Studie hoofdauteur, Christoffel Turner, doctoraal onderzoeker aan de School of Physics and Astronomy in Leeds, zei:"Eerdere theorieën met betrekking tot kwantumlittekens zijn geformuleerd voor een enkel deeltje. Ons werk heeft deze ideeën uitgebreid tot systemen die niet één maar veel deeltjes bevatten, die allemaal op ingewikkelde manieren met elkaar verstrengeld zijn. Quantum veellichaamslittekens kunnen een nieuwe weg zijn om coherente kwantumdynamica te realiseren."

De theorie van kwantum veel-lichamen littekens werpt licht op de kwantumtoestanden die ten grondslag liggen aan de vreemde dynamiek van atomen in het Harvard-MIT-experiment. Het begrijpen van dit fenomeen zou ook de weg kunnen effenen voor het beschermen of verlengen van de levensduur van kwantumtoestanden in andere klassen van kwantumveellichamensystemen.