Natuurkundigen hebben een kwantumsimulatiemethode ontwikkeld die een experimenteel kwantumsysteem 'virtueel kan afkoelen' tot een fractie van de werkelijke temperatuur. De methode zou mogelijk toegang kunnen geven tot extreem lage temperatuurfenomenen, zoals ongebruikelijke vormen van supergeleiding, die nog nooit eerder zijn waargenomen. De simulatie omvat het voorbereiden van meerdere kopieën van de kwantumtoestand van het systeem, tussenkomst van de staten, en het maken van metingen op elk exemplaar, wat uiteindelijk een gesimuleerde meting oplevert op hetzelfde systeem bij een lagere temperatuur.

Het team van natuurkundigen, Jordan Cotler aan de Stanford University en coauteurs, heeft een artikel gepubliceerd over de kwantum virtuele koelingsmethode in een recent nummer van Fysieke beoordeling X .

Zoals de onderzoekers uitlegden, de resultaten zijn gebaseerd op het idee dat er een sterk verband bestaat tussen temperatuur en kwantumverstrengeling.

"Een modern perspectief in de natuurkunde is dat temperatuur een opkomende eigenschap is van kwantumverstrengeling, "vertelde Cotler" Phys.org . "Met andere woorden, bepaalde patronen van kwantumverstrengeling geven aanleiding tot het bekende begrip temperatuur. Door doelbewust het verstrikkingspatroon in een systeem te manipuleren, we kunnen toegang krijgen tot lagere temperaturen. Hoewel deze opmerkelijke ideeën voorheen theoretisch werden begrepen, we hebben ontdekt hoe we ze experimenteel kunnen implementeren."

Toekomstige experimentele realisaties van de virtuele koeltechniek zouden onderzoekers in staat kunnen stellen om de temperatuur op schijnbaar onmogelijke manieren te meten.

"Misschien kunnen we kwantum virtuele koeling gebruiken om faseovergangen met eindige temperatuur te 'kruisen', " zei Cotler. "Dit lijkt nogal bizar - het zou zijn alsof je twee glazen vloeibaar water neemt, en door een kwantummeting uit te voeren, je leert over de eigenschappen van vast ijs. Opmerkelijk, dit lijkt in principe mogelijk, maar in de praktijk we moeten systemen gebruiken die gemakkelijker te controleren zijn dan water. Niettemin, kunnen we misschien nog in één fase een systeem voorbereiden, en gebruik kwantum virtuele koeling om een ​​andere fase te onderzoeken die alleen bij een lagere temperatuur optreedt."

Hoe het werkt

De virtuele koelmethode is ontworpen om te werken op een type systeem dat een sterk gecorreleerd kwantum veel-lichamensysteem wordt genoemd. Een voorbeeld van zo'n systeem is een systeem van ultrakoude atomen gevangen door een raster van lasers dat een "optisch rooster" wordt genoemd. De atomen kunnen van rasterpunt naar rasterpunt springen en met elkaar interageren. Er wordt theoretisch voorspeld dat sterk gecorreleerde quantum veeldeeltjessystemen zoals ultrakoud gevangen atomen interessant gedrag vertonen bij ultrakoude temperaturen. Helaas, veel van de voorspelde verschijnselen bij lage temperaturen zijn nooit waargenomen vanwege de moeilijkheid om tot dergelijke koude temperaturen af ​​te koelen.

Een recent ontwikkelde benadering van koeling is het gebruik van een kwantumsimulator:een fysiek systeem dat bestaat uit atomen, fotonen, kwantum stippen, of een ander fysiek object, die wordt gebruikt om een ​​ander fysiek systeem te modelleren dat niet zo goed wordt begrepen. In de kwantumsimulator die in het nieuwe artikel is geïntroduceerd, atomen bij een toegankelijke temperatuur worden gebruikt om atomen te modelleren bij een koudere, traditioneel onbereikbare temperatuur. Met andere woorden, een kwantumsysteem wordt gebruikt om een ​​subset van zichzelf bij een lagere temperatuur te simuleren. Vanwege hun kwantumeigenschappen, kwantumsimulators kunnen bepaalde taken zoals deze uitvoeren die buiten het bereik van klassieke computers liggen, die geen gebruik kunnen maken van kwantumverstrengeling en superpositie.

Een van de belangrijkste dingen van de nieuwe simulator is dat er helemaal geen fysieke koeling is. In plaats daarvan, de virtuele koeling wordt bereikt door veel atomen te verstoren, het meten van die atomen, en vervolgens het verwerken van de meetgegevens. Laten zien, gebruikten de natuurkundigen de methode om metingen van de dichtheid van atomen te simuleren in wat een "Bose-Hubbard-model" wordt genoemd, " die bepaalde soorten interacties tussen de atomen specificeert. De basisprocedure omvat het voorbereiden van twee of meer identieke kopieën van de kwantumtoestand met veel atomen op verschillende fysieke locaties (hier, de optische roosters). Dan wordt er kwantumtunneling geïnduceerd tussen de kopieën, die atomaire interferentie tussen hen mogelijk maakt. Eindelijk, het aantal atomen dat elke site bezet, wordt gemeten voor elke roostersite, dat wordt gedaan met behulp van een kwantumgasmicroscoop.

Na meerdere keren herhalen van de procedure bij de werkelijke temperatuur, en dan het gemiddelde nemen, de methode geeft de lokale dichtheid van atomen bij een verlaagde temperatuur van t / N , waar t is de werkelijke temperatuur van het systeem en N is het aantal gebruikte exemplaren. Bij de eerste demonstratie de onderzoekers gebruikten twee exemplaren, waardoor toegang tot het systeem op de helft van de oorspronkelijke temperatuur mogelijk was. Deze experimentele resultaten kwamen nauw overeen met theoretische voorspellingen.

Hoewel de methode het theoretisch mogelijk maakt om het systeem vrijwel helemaal tot de grondtoestand af te koelen, d.w.z., de nul-temperatuur toestand, in de praktijk wordt de hoeveelheid koeling beperkt door schaalproblemen die optreden bij het meten van meerdere kopieën van het systeem met voldoende hoge precisie. Nog altijd, omdat er geen fysieke koeling bij betrokken is, de onderzoekers verwachten dat de simulatiemethode kan worden gebruikt om de temperatuur van een kwantumsysteem virtueel te verlagen nadat alle fysieke koelmethoden zijn gebruikt, dus het zou extra koeling kunnen bieden voor elke andere methode.

Coole toekomstplannen

In de toekomst, de natuurkundigen zijn van plan om de benadering verder uit te breiden om kwantum virtuele koeling uit te breiden om meer gecompliceerde eigenschappen te meten. Terwijl de huidige opstelling is ontworpen om alleen de atomaire dichtheid bij lage temperaturen te meten, de natuurkundigen ontwikkelden een alternatieve koelmethode om andere eigenschappen te meten. Deze benadering maakt gebruik van qubits in een kwantumcircuit, vergelijkbaar met verstrengeling zuiveringsprotocollen.

De onderzoekers hopen ook kwantum virtuele koeling toe te passen om fenomenen bij lage temperaturen te onderzoeken, zoals d-golf supergeleiding, een soort supergeleiding bij hoge temperatuur, wat niet zo goed wordt begrepen als supergeleiding bij lage temperatuur.

"Wat betreft d-golf supergeleiding, het zou interessant zijn om het te observeren als een lagetemperatuurfase van het Fermion-Hubbard-model, die experimenteel kan worden gerealiseerd in het laboratorium, "Zei Cotler. "Hier, 'Fermion-Hubbard-model' is natuurkundig jargon voor een systeem met specifieke soorten interacties, en met samenstellende deeltjes die fermionen zijn (waarvan elektronen een bekend voorbeeld zijn).

"Je zou kunnen vragen, waarom is deze specifieke reeks interacties interessant, en waarom geven we om de waarneming van een d-golf supergeleidende fase bij lage temperaturen? Er zijn verschillende redenen. Een daarvan is dat het Fermion-Hubbard-model een mooi systeem is vanuit theoretisch oogpunt, en het kan inzichten opleveren in meer gecompliceerde systemen die we ofwel in de natuur waarnemen, of wilt engineeren.

"Echter, het is moeilijk om supergeleiding bij lage temperaturen in het systeem te begrijpen - de vergelijkingen zijn te moeilijk, en het simuleren van het systeem op een computer is bijna onmogelijk, zelfs als we een supercomputer hebben. Een benadering is om het Fermion-Hubbard-model op een kwantumcomputer te simuleren, maar we hebben er nog geen die dat kan. In plaats daarvan, we kunnen een Fermion-Hubbard-model bouwen in het lab, en verken de eigenschappen bij lage temperaturen door het te koelen. Met andere woorden, we hebben geen kwantumcomputer nodig omdat we het gewenste systeem in het lab bouwen. Maar nu is het probleem eigenlijk om het experimentele systeem af te koelen tot temperaturen die laag genoeg zijn om een ​​supergeleidende fase te zien. Dit is momenteel buiten bereik, maar het lijkt erop dat kwantum virtuele koeling kan helpen."

© 2019 Wetenschap X Netwerk