Natuurkundigen van EPFL stellen een nieuwe "kwantumsimulator" voor:een op laser gebaseerd apparaat dat kan worden gebruikt om een ​​breed scala aan kwantumsystemen te bestuderen. Het bestuderen, de onderzoekers hebben ontdekt dat fotonen zich kunnen gedragen als magnetische dipolen bij temperaturen dicht bij het absolute nulpunt, volgens de wetten van de kwantummechanica. De eenvoudige simulator kan worden gebruikt om de eigenschappen van complexe materialen onder dergelijke extreme omstandigheden beter te begrijpen.

Wanneer onderworpen aan de wetten van de kwantummechanica, systemen die zijn gemaakt van veel op elkaar inwerkende deeltjes kunnen gedrag vertonen dat zo complex is dat de kwantitatieve beschrijving ervan de mogelijkheden van de krachtigste computers ter wereld tart. In 1981, de visionaire fysicus Richard Feynman betoogde dat we dergelijk complex gedrag kunnen simuleren met behulp van een kunstmatig apparaat dat wordt beheerst door precies dezelfde kwantumwetten - wat bekend is geworden als een 'kwantumsimulator'.

Een voorbeeld van een complex kwantumsysteem is dat van magneten die op zeer lage temperaturen zijn geplaatst. Dicht bij het absolute nulpunt (-273,15 graden Celsius), magnetische materialen kunnen een zogenaamde "quantumfaseovergang" ondergaan. Zoals een conventionele faseovergang (bijv. ijs dat in water smelt, of water dat verdampt tot stoom), het systeem schakelt nog steeds tussen twee toestanden, behalve dat dicht bij het overgangspunt het systeem kwantumverstrengeling vertoont - het meest diepgaande kenmerk dat door de kwantummechanica is voorspeld. Het bestuderen van dit fenomeen in echte materialen is een verbazingwekkend uitdagende taak voor experimentele natuurkundigen.

Maar natuurkundigen onder leiding van Vincenzo Savona van EPFL hebben nu een kwantumsimulator bedacht die belooft het probleem op te lossen. "De simulator is een eenvoudig fotonisch apparaat dat gemakkelijk kan worden gebouwd en gebruikt met de huidige experimentele technieken, " zegt Riccardo Rota, de postdoc in Savona's lab die de studie leidde. "Maar belangrijker, het kan het complexe gedrag van echte, interactie magneten bij zeer lage temperaturen."

De simulator kan worden gebouwd met behulp van supergeleidende circuits - hetzelfde technologische platform dat wordt gebruikt in moderne kwantumcomputers. De schakelingen zijn zo aan laservelden gekoppeld dat er een effectieve interactie ontstaat tussen lichtdeeltjes (fotonen). "Toen we de simulator bestudeerden, we ontdekten dat de fotonen zich op dezelfde manier gedroegen als magnetische dipolen over de kwantumfase-overgang in echte materialen, " zegt Rota. Kortom, we kunnen nu fotonen gebruiken om een ​​virtueel experiment op kwantummagneten uit te voeren in plaats van het experiment zelf op te zetten.

"Wij zijn theoretici, ", zegt Savona. "We kwamen op het idee voor deze specifieke kwantumsimulator en hebben het gedrag ervan gemodelleerd met behulp van traditionele computersimulaties, wat kan worden gedaan wanneer de kwantumsimulator een systeem aanspreekt dat klein genoeg is. Onze bevindingen bewijzen dat de kwantumsimulator die we voorstellen levensvatbaar is, en we zijn nu in gesprek met experimentele groepen die het ook echt willen bouwen en gebruiken."

begrijpelijk, Rota is enthousiast:"Onze simulator kan worden toegepast op een brede klasse van kwantumsystemen, waardoor natuurkundigen verschillende complexe kwantumverschijnselen kunnen bestuderen. Het is echt een opmerkelijke vooruitgang in de ontwikkeling van kwantumtechnologieën."