Met behulp van een D-Wave quantum-annealing computer als testbed, wetenschappers van Los Alamos National Laboratory hebben aangetoond dat het mogelijk is om zogenaamde emergente magnetische monopolen te isoleren, een klasse van quasideeltjes, het creëren van een nieuwe benadering voor het ontwikkelen van 'materialen door ontwerp'.

"We wilden opkomende magnetische monopolen bestuderen door gebruik te maken van de collectieve dynamiek van qubits, " zei Cristiano Nisoli, een leidende Los Alamos-auteur van de studie. "Magnetische monopolen, als elementaire deeltjes met slechts één magnetische pool, door velen verondersteld, en beroemd door Dirac, maar zijn tot nu toe ongrijpbaar gebleken."

Ze realiseerden een kunstmatig spin-ijs door de supergeleidende qubits van de kwantummachine als magnetische bouwsteen te gebruiken. Het op deze manier genereren van magnetische materialen met exotische eigenschappen is in veel opzichten baanbrekend. Hun proces gebruikte de wet van Gauss om monopolen te vangen, waardoor de wetenschappers hun kwantum-geactiveerde dynamiek en hun onderlinge interactie kunnen observeren. Dit werk toont ondubbelzinnig aan dat magnetische monopolen niet alleen kunnen voortkomen uit een onderliggende spinstructuur, maar kan worden gecontroleerd, geïsoleerd en nauwkeurig bestudeerd.

"In de afgelopen tien jaar is aangetoond dat monopolen kunnen ontstaan ​​als quasideeltjes om de excitatie-spin-ijsjes van verschillende geometrieën te beschrijven. Eerder, De Pulsed Field Facility van het National High Magnetic Field Laboratory hier in Los Alamos was in staat om te 'luisteren' naar monopoolgeluid in kunstmatig spinijs. En nu, gebruikmakend van een D-Wave kwantumgloeisysteem, we hebben genoeg controle om een ​​of meer van deze deeltjes daadwerkelijk te vangen en ze afzonderlijk te bestuderen. We zagen ze rondlopen, vast komen te zitten, en wordt gecreëerd en vernietigd in paren van tegengestelde magnetische lading. En zo konden we onze kwantitatieve theoretische voorspellingen bevestigen, dat ze op elkaar inwerken en elkaar in feite screenen, ' zei Nisoli.

"De processors van D-Wave zijn ontworpen om uit te blinken in optimalisatie, maar kunnen ook als kwantumsimulators worden gebruikt. Door de gewenste interacties van ons magnetische materiaal in de qubits van D-Wave te programmeren, we kunnen experimenten uitvoeren die anders extreem moeilijk zijn, " zei Andrew King, directeur van Performance Research bij D-Wave en een auteur op het papier. "Deze samenwerking, proof-of-principle werk demonstreert nieuwe experimentele mogelijkheden, het verbeteren van de kracht en veelzijdigheid van kunstmatige spin-ijsstudies. Het vermogen om opkomende quasideeltjes programmatisch te manipuleren kan een belangrijk aspect worden voor materiaaltechnologie en zelfs topologische kwantumcomputers; we hopen dat het fundamenteel zal zijn voor toekomstig onderzoek."

Nisoli heeft toegevoegd, "We hebben nog maar de oppervlakte van deze benadering bekrast. Eerdere kunstmatige spin-ijssystemen werden gerealiseerd met nanomagneten, en ze gehoorzaamden aan de klassieke natuurkunde. Dit besef is in plaats daarvan volledig kwantum. Om een ​​haasje-over te vermijden, hebben we ons tot nu toe geconcentreerd op een quasi-klassieke studie, maar in de toekomst we kunnen die kwantumfluctuaties echt opdrijven, en zeer actuele problemen van decoherentie te onderzoeken, geheugen, kwantum informatie, en topologische volgorde, met aanzienlijke technologische implicaties."

"Deze resultaten hebben ook technologische consequenties die met name relevant zijn voor DOE en Los Alamos, specifiek in het idee van materialen-by-design, om toekomstige nanomagneten te produceren die geavanceerde en wenselijke functionaliteit voor detectie en berekening kunnen vertonen. Monopolen, als binaire informatiedragers, relevant kan zijn voor spintronica. Ze dragen ook aanzienlijk bij aan investeringen in Los Alamos D-Wave, " merkte Alejandro Lopez-Bezanilla van Los Alamos op, die aan de D-Wave-processor werkt en het team heeft samengesteld.

Nisoli, Bovendien, suggereert dat naast vruchtbare toepassingen, deze resultaten kunnen misschien ook stof tot nadenken geven aan de fundamentele fysica. "Onze fundamentele theorieën over deeltjes zijn geparametriseerde modellen. Je vraagt ​​je af:wat is een deeltje? We laten hier experimenteel zien dat niet alleen deeltjes, maar ook hun langeafstandsinteracties een hoger kunnen zijn -niveaubeschrijving van een zeer eenvoudige onderliggende structuur, een enkel gekoppeld bij naaste buren. Kunnen zelfs 'echte' deeltjes en interacties die we als fundamenteel beschouwen, zoals leptonen en quarks, in plaats daarvan worden opgevat als een opkomende, beschrijving op een hoger niveau van een complexer binair substraat op een lager niveau, net als onze monopolen die tevoorschijn komen uit een stel qubits?"