Onderzoekers van het Center for Quantum Information and Quantum Biology aan de Universiteit van Osaka gebruikten ingesloten ionen om de verspreiding van vibrationele quanta aan te tonen als onderdeel van een quantum random walk. Dit werk is gebaseerd op hun voortreffelijke controle van individuele ionen met behulp van lasers, en kan leiden tot nieuwe kwantumsimulaties van biologische systemen.

Hier is een eenvoudig spel dat je met een groep vrienden kunt spelen. Iedereen staat schouder aan schouder in een rij, en dan gooit elke persoon een munt op om te beslissen of hij een stap vooruit of achteruit wil doen. Na een paar rondes van flips, je zult merken dat je nette lijn willekeurig is verspreid. Hoewel dit spel erg simplistisch klinkt, wetenschappers hebben ontdekt dat deze "willekeurige wandelingen" ongelooflijk nuttig zijn voor het verklaren van diverse verschijnselen, van moleculaire diffusie tot problemen in statistiek en waarschijnlijkheid.

Een van de zeer vreemde kenmerken van de kwantummechanica - de wetten van de fysica die het gedrag van kleine objecten zoals individuele atomen bepalen - is de verrassende mix van willekeur en voorspelbaarheid. Vooral, terwijl de kans op het vinden van een deeltje op een bepaalde locatie zich voorspelbaar uitbreidt in de tijd, als rimpelingen in de vijver, wanneer u daadwerkelijk een meting uitvoert, is er inherente onzekerheid. Dit maakt quantum random wandelingen fundamenteel anders dan hun conventionele tegenhangers. In tegenstelling tot gasmoleculen die zich in een kamer verspreiden, de golven van een quantum random walk kunnen met zichzelf interfereren, het creëren van een duidelijk oscillatiepatroon.

De wetenschappers van de universiteit van Osaka begonnen met het maken van een kunstmatig kristal door een rij van vier calciumionen met lasers op te vangen. De ionen zouden elkaar nog kunnen beïnvloeden met hun elektrische lading. Vervolgens, het team toonde aan dat ze één ion konden laten trillen door er een aparte laser op te laten schijnen.

Deze minimaal mogelijke trilling, een fonon genoemd, fungeerde als een pakket energie dat kon worden doorgegeven aan een naburig ion. Zoals eerste auteur Masaya Tamura uitlegt, "Door gebruik te maken van de mogelijkheid om een ​​gelokaliseerd fonon voor te bereiden en te observeren, de voortplanting ervan in een lineair kristal met vier ionen kan worden waargenomen met een resolutie van één locatie." Door verschillende tijdsperioden tot 10 milliseconden te wachten, de gemeten fonon-locaties kwamen overeen met de theoretische voorspellingen.

"Ons systeem met fononen biedt een platform voor het realiseren van kwantumsimulaties voor het bestuderen van open vragen in chemie en biologie, ", zegt senior auteur Kenji Toyoda. "Bijvoorbeeld, de hypothese is dat de ongelooflijke efficiëntie van 95% van de fotosynthese afhangt van:althans gedeeltelijk, op het feit dat kwantum willekeurige wandelingen anders werken in vergelijking met klassieke willekeur. Het hier getoonde systeem kan deze en andere belangrijke problemen mogelijk oplossen."