Onderzoekers van de Singapore University of Technology and Design (SUTD) hebben ontdekt hoe de omgeving van invloed kan zijn op zeer gevoelig kwantumgedrag zoals lokalisatie. Hun bevindingen, gepubliceerd in Chaos , zou kunnen leiden tot toekomstige innovaties in het ontwerp van supergeleidende materialen en kwantumapparaten, inclusief super nauwkeurige sensoren.

Kwantumtechnologie, in het bijzonder kwantumdetectie, belooft onze wereld te meten en vast te leggen met een precisie die nooit eerder mogelijk was. Dergelijke precisie heeft diverse toepassingen, van snellere en gevoeligere medische beeldvorming tot opnametijd bij hoogfrequente markttransacties, en zelfs de ontwikkeling van sensoren die kunnen bepalen of de grond onder ons vast gesteente is of een natuurlijk olie- en gasreservoir.

Maar ondanks al zijn theoretische potentieel, een grote praktische uitdaging blijft bij het produceren van kwantummeetapparatuur:controleren hoe ze reageren op de omgeving. Echte apparaten zijn extreem gevoelig voor ruis, wat in het beste geval hun nauwkeurigheidsniveau vermindert en in het slechtste geval leidt tot onaanvaardbare foutenniveaus. Als het gaat om het maken van ultranauwkeurige sensoren, dergelijke ruis kan alle nuttige signalen overweldigen.

Door te begrijpen hoe kwantumapparaten op ruis reageren, kunnen onderzoekers nieuwe manieren vinden om ze tegen ruis te beschermen. nieuwe meet- en detectietechnologieën haalbaarder maken. Naast het vergroten van hun nauwkeurigheid, onderzoekers kunnen zelfs kwantumapparaten nieuwe eigenschappen geven. "Als je de hoeveelheid ruis die deze apparaten ervaren zou kunnen afstemmen, je kunt ze heel anders laten functioneren en een nog interessanter apparaat krijgen, " verklaarde universitair hoofddocent Dario Poletti van SUTD, die de studie leidde.

Bijvoorbeeld, wetenschappers weten al tientallen jaren dat wanorde in een systeem een ​​fenomeen kan veroorzaken dat lokalisatie wordt genoemd, waarbij een systeem 'vastloopt' in zijn oorspronkelijke staat. Anderzijds, wanneer de deeltjes in een systeem sterk met elkaar interageren, is er een mogelijkheid dat ze 'los kunnen raken', ' dat is, gedelokaliseerd.

Om dit getouwtrek tussen wanorde en interactie te bestuderen, Poletti en Ph.D. student Xiansong Xu voegde een derde variabele toe:de omgeving. Beginnend met een theoretisch model dat bekend staat als de XXZ-spinketen, de onderzoekers toonden aan dat de omgeving contrasterende effecten kan hebben op de lokalisatie, afhankelijk van de sterkte van zowel de stoornis als de interactie in het systeem.

Het uitvoeren van numerieke berekeningen op het model, de onderzoekers ontdekten dat door het systeem in contact te brengen met een dissipatieve omgeving, zoals een bad van fotonen, het in de richting van delokalisatie werd geduwd en het mobieler maakte, vloeiend en uniform, als water.

belangrijk, ze ontdekten ook dat, hoewel zowel zwak als sterk op elkaar inwerkende systemen nog steeds tekenen van lokalisatie vertoonden, de soorten lokalisatie waren verrassend verschillend:één korreliger en vaster, zoals zand, en de andere, meer uniform terwijl je nog steeds vastzit, zoals ijs.

Deze theoretische ontdekking suggereert dat de eigenschappen van bepaalde materialen kunnen worden afgestemd door veranderingen in de externe omgeving. Bijvoorbeeld, onderzoekers kunnen een materiaal van een isolator in een geleider veranderen door er licht op te laten schijnen - of het materiaal van de ene soort isolator in een andere veranderen, met toepassingen die verder gaan dan kwantumtechnologieën tot materiaalwetenschap en nano-elektronica.

"Er zijn al kwantumapparaten, en we zullen er waarschijnlijk meer en meer van zien, Poletti zei. "Apparaten zijn nooit echt geïsoleerd van hun omgeving, dus we willen graag beter begrijpen hoe ze kunnen samenwerken met het milieu."

"De zoektocht is nu om dieper te graven en op zoek te gaan naar verschillende systemen, of ga naar echte materialen en kijk wat daar nog meer kan gebeuren, " voegde hij eraan toe. "Dit soort onderzoek wordt gedurende vele jaren gedaan. We proberen fundamentele kennis en tools op te bouwen zodat we uiteindelijk, industrie kan het overnemen."