Wetenschap
Aankondiging van de geboorte van QUIONE, een unieke analoge kwantumprocessor
De kwantumfysica vereist uiterst nauwkeurige detectietechnieken om dieper in de microscopische eigenschappen van materialen te duiken. Van de analoge kwantumprocessors die onlangs zijn verschenen, zijn kwantumgasmicroscopen krachtige hulpmiddelen gebleken voor het begrijpen van kwantumsystemen op atomair niveau. Deze apparaten produceren beelden van kwantumgassen met een zeer hoge resolutie:ze maken het mogelijk individuele atomen te detecteren.
Nu leggen ICFO-onderzoekers (Barcelona, Spanje) Sandra Buob, Jonatan Höschele, Dr. Vasiliy Makhalov en Dr. Antonio Rubio-Abadal, onder leiding van ICREA-professor bij ICFO Leticia Tarruell, uit hoe ze hun eigen kwantumgasmicroscoop bouwden, genaamd QUIONE naar de Griekse godin van de sneeuw. De kwantumgasmicroscoop van de groep is de enige ter wereld die individuele atomen van strontiumkwantumgassen in beeld brengt, en ook de eerste in zijn soort in Spanje.
Het onderzoek van het team is gepubliceerd in het tijdschrift PRX Quantum .
Naast de impactvolle beelden waarin individuele atomen kunnen worden onderscheiden, is het doel van QUIONE kwantumsimulatie. Zoals prof. Tarruell uitlegt:"Kwantumsimulatie kan worden gebruikt om zeer gecompliceerde systemen in eenvoudiger modellen terug te brengen om de open vragen te begrijpen die huidige computers niet kunnen beantwoorden, zoals waarom sommige materialen elektriciteit geleiden zonder enig verlies, zelfs bij relatief hoge temperaturen." /P>
Het bijzondere van dit experiment ligt in het feit dat het team erin is geslaagd het strontiumgas naar het kwantumregime te brengen, het in een optisch rooster te plaatsen waar de atomen door botsingen kunnen interageren, en vervolgens de beeldvormingstechnieken voor afzonderlijke atomen toe te passen. Deze drie ingrediënten maken de strontium-kwantumgasmicroscoop van ICFO uniek.
Waarom strontium?
Tot nu toe waren deze microscoopopstellingen afhankelijk van alkalische atomen, zoals lithium en kalium, die eenvoudigere eigenschappen hebben in termen van hun optische spectrum vergeleken met aardalkaliatomen zoals strontium. Dit betekent dat strontium meer ingrediënten biedt om mee te spelen in deze experimenten.
De unieke eigenschappen van strontium hebben het de afgelopen jaren zelfs tot een zeer populair element gemaakt voor toepassingen op het gebied van quantum computing en quantumsimulatie. Een wolk van strontiumatomen kan bijvoorbeeld worden gebruikt als een atomaire kwantumprocessor, die problemen zou kunnen oplossen die verder gaan dan de mogelijkheden van de huidige klassieke computers.
Al met al zagen ICFO-onderzoekers grote mogelijkheden voor kwantumsimulatie in strontium, en begonnen ze hun eigen kwantumgasmicroscoop te bouwen. Zo werd QUIONE geboren.
QUIONE, een kwantumsimulator van echte kristallen
Daartoe verlaagde het team eerst de temperatuur van het strontiumgas. Met behulp van de kracht van verschillende laserstralen verlaagden ze de snelheid van atomen tot een punt waarop ze vrijwel bewegingloos bleven, nauwelijks bewegend, en hun temperatuur in slechts enkele milliseconden tot bijna het absolute nulpunt daalde. Vanaf dit punt beheersten de wetten van de kwantummechanica hun gedrag en vertoonden de atomen nieuwe kenmerken zoals kwantumsuperpositie en verstrengeling.
Daarna activeerden de onderzoekers met behulp van speciale lasers het optische rooster, dat de atomen in een raster langs de ruimte gerangschikt houdt.
"Je kunt het je voorstellen als een eierdoos, waarbij de afzonderlijke plekken feitelijk de plek zijn waar je de eieren legt. Maar in plaats van eieren hebben we atomen, en in plaats van een doos hebben we het optische rooster", legt Buob, de eerste auteur, uit. van het artikel.
De atomen in het eierdopje stonden met elkaar in wisselwerking en ervoeren soms kwantumtunneling om van de ene plaats naar de andere te gaan. Deze kwantumdynamiek tussen atomen bootst die van elektronen in bepaalde materialen na. Daarom kan de studie van deze systemen licht werpen op het complexe gedrag van bepaalde materialen, wat het sleutelidee is van kwantumsimulatie.
De onderzoekers maakten de beelden met hun microscoop zodra het gas en het optische rooster gereed waren en konden eindelijk hun strontiumkwantumgas atoom voor atoom waarnemen. Op dat moment was de bouw van QUIONE al een succes, maar de makers wilden er nog meer uit halen.
Zo maakten ze naast de foto's ook video's van de atomen en konden ze waarnemen dat terwijl de atomen tijdens de beeldvorming stil moesten blijven, ze soms naar een nabijgelegen roosterplaats sprongen. Het fenomeen kwantumtunneling kan dit verklaren.
"De atomen 'huppelden' van de ene plaats naar de andere. Het was iets heel moois om te zien, omdat we letterlijk getuige waren van een directe manifestatie van hun inherente kwantumgedrag", zegt Buob.
Ten slotte gebruikte de onderzoeksgroep hun kwantumgasmicroscoop om te bevestigen dat het strontiumgas superfluïde was, een kwantumfase van materie die stroomt zonder viscositeit.
"We hebben plotseling de roosterlaser uitgeschakeld, zodat de atomen in de ruimte konden uitzetten en met elkaar konden interfereren. Dit genereerde een interferentiepatroon vanwege de golf-deeltjes dualiteit van de atomen in de supervloeistof. Toen onze apparatuur dit vastlegde, hebben we dit geverifieerd de aanwezigheid van superfluïditeit in het monster”, legt Dr. Rubio-Abadal uit.
"Het is een heel spannend moment voor kwantumsimulatie", merkt prof. Tarruell op. ‘Nu we strontium aan de lijst van beschikbare kwantumgasmicroscopen hebben toegevoegd, kunnen we binnenkort misschien complexere en exotischere materialen kunnen simuleren. Dan zullen er naar verwachting nieuwe fasen van materie ontstaan. macht om deze machines als analoge kwantumcomputers te gebruiken."