Het is vastgesteld dat materie kan overgaan tussen verschillende fasen wanneer bepaalde parameters, zoals temperatuur, zijn veranderd. Hoewel faseovergangen vaak voorkomen (zoals water dat in ijs verandert in een vriezer), de dynamiek die deze processen bestuurt, is zeer complex en vormt een prominent probleem op het gebied van niet-evenwichtsfysica.

Wanneer een systeem een ​​faseovergang ondergaat, materie in de nieuwe fase heeft vele mogelijke energetisch gelijke "configuraties" om aan te nemen. In deze gevallen, verschillende delen van het systeem nemen verschillende configuraties aan over regio's die 'domeinen' worden genoemd. De interfaces tussen deze domeinen staan ​​bekend als topologische defecten en het verminderen van het aantal gevormde defecten kan in veel toepassingen enorm waardevol zijn.

Een veelgebruikte strategie om defecten te verminderen, is het systeem langzaam door de faseovergang te laten komen. In feite, volgens het "Kibble-Zurek"-mechanisme (KZM), er wordt voorspeld dat het gemiddelde aantal defecten en de rijtijd van de faseovergang een universele machtswet volgen. Echter, het experimenteel testen van de KZM in een kwantumsysteem is een begeerd doel gebleven.

In een recente studie gepubliceerd in Fysiek beoordelingsonderzoek , een team van wetenschappers onder leiding van professor emeritus Hidetoshi Nishimori van het Tokyo Institute of Technology, Japan, onderzocht de validiteit van de KZM in twee commercieel verkrijgbare quantum annealers, een soort kwantumcomputer ontworpen voor het oplossen van complexe optimalisatieproblemen. Deze apparaten, bekend als D-Wave annealers, kan controleerbare kwantumsystemen recreëren en hun evolutie in de tijd controleren, het voorzien van een geschikte experimentele proeftuin voor de KZM.

Eerst, de wetenschappers controleerden of de "krachtwet" tussen het gemiddelde aantal defecten en de uitgloeitijd (rijtijd van de faseovergang) voorspeld door de KZM werd aangehouden voor een kwantummagnetisch systeem dat het "eendimensionale transversale veld Ising-model" wordt genoemd. Dit model vertegenwoordigt de oriëntaties (spins) van een lange keten van "magnetische dipolen, " waar homogene gebieden worden gescheiden door defecten die worden gezien als naburige spins die in onjuiste richtingen wijzen.

Terwijl de oorspronkelijke voorspelling van de KZM met betrekking tot het gemiddeld aantal defecten in dit systeem klopte, de wetenschappers gingen nog een stap verder:hoewel deze uitbreiding van de KZM oorspronkelijk bedoeld was voor een volledig "geïsoleerd" kwantumsysteem dat niet wordt beïnvloed door externe parameters, ze vonden een goede overeenkomst tussen de voorspellingen en hun experimentele resultaten, zelfs in de D-Wave-uitgloeiers, die "open" kwantumsystemen zijn.

Opgewonden door deze resultaten, Prof Nishimori merkt op:"Ons werk biedt de eerste experimentele test van universele kritische dynamiek in een open kwantumsysteem met veel lichamen. Het vormt ook de eerste test van bepaalde fysica buiten de oorspronkelijke KZM, het leveren van sterk experimenteel bewijs dat de gegeneraliseerde theorie verder gaat dan het theoretisch vastgestelde geldigheidsregime."

Deze studie toont het potentieel van kwantumgloeiers om simulaties van kwantumsystemen uit te voeren en helpt ook om inzicht te krijgen in andere gebieden van de natuurkunde. In dit verband, Prof Nishimori stelt:"Onze resultaten maken gebruik van kwantumgloeiende apparaten als platforms om de grenzen van niet-evenwichtsfysica te testen en te verkennen. We hopen dat ons werk verder onderzoek zal motiveren dat kwantumgloeien en andere universele principes in niet-evenwichtsfysica combineert." Hopelijk, deze studie zal ook het gebruik van kwantumgloeiers in de experimentele fysica bevorderen. Ten slotte, wie houdt er niet van om een ​​nieuwe toepassing voor een gereedschap te vinden?