Wetenschap
Een nieuw type koeling voor kwantumsimulators
Kwantumexperimenten hebben altijd met hetzelfde probleem te maken, of het nu gaat om kwantumcomputers, kwantumteleportatie of nieuwe soorten kwantumsensoren:kwantumeffecten breken heel gemakkelijk af. Ze zijn extreem gevoelig voor externe verstoringen, bijvoorbeeld voor schommelingen die simpelweg door de omgevingstemperatuur worden veroorzaakt. Het is daarom belangrijk om kwantumexperimenten zo effectief mogelijk af te kunnen koelen.
Aan de TU Wien (Wenen) hebben onderzoekers nu aangetoond dat dit soort koeling op een interessante nieuwe manier kan worden bereikt:een Bose-Einstein-condensaat wordt in twee delen gesplitst, noch abrupt, noch bijzonder langzaam, maar met een zeer specifieke temporele dynamiek die zorgt ervoor dat willekeurige schommelingen zo goed mogelijk worden voorkomen.
Op deze manier kan de relevante temperatuur in het toch al extreem koude Bose-Einstein-condensaat aanzienlijk worden verlaagd. Dit is van belang voor kwantumsimulatoren, die aan de TU Wien worden gebruikt om inzichten te verkrijgen in kwantumeffecten die met eerdere methoden niet konden worden onderzocht. Het onderzoek is gepubliceerd in Physical Review X .
Kwantumsimulatoren
"We werken in ons onderzoek met kwantumsimulatoren", zegt Maximilian Prüfer, die met behulp van een Esprit Grant van de FWF nieuwe methoden onderzoekt aan het Atoominstituut van de TU Wien. ‘Quantumsimulators zijn systemen waarvan het gedrag wordt bepaald door kwantummechanische effecten en die bijzonder goed kunnen worden gecontroleerd en gemonitord. Met deze systemen kunnen dus fundamentele fenomenen uit de kwantumfysica worden bestudeerd die ook in andere kwantumsystemen voorkomen en die niet zo eenvoudig te bestuderen zijn. ."
Dit betekent dat een fysiek systeem wordt gebruikt om daadwerkelijk iets te leren over andere systemen. Dit idee is niet geheel nieuw in de natuurkunde:je kunt bijvoorbeeld ook experimenten met watergolven uitvoeren om iets over geluidsgolven te leren, maar watergolven zijn gemakkelijker waar te nemen.
‘In de kwantumfysica zijn kwantumsimulatoren de afgelopen jaren een uiterst nuttig en veelzijdig hulpmiddel geworden’, zegt Maximilian Prüfer. "Een van de belangrijkste hulpmiddelen voor het realiseren van interessante modelsystemen zijn wolken van extreem koude atomen, zoals die we in ons laboratorium bestuderen."
In het huidige artikel onderzochten de wetenschappers onder leiding van Jörg Schmiedmayer en Maximilian Prüfer hoe kwantumverstrengeling in de loop van de tijd evolueert en hoe dit kan worden gebruikt om een nog kouder temperatuurevenwicht te bereiken dan voorheen. Kwantumsimulatie is ook een centraal onderwerp in het onlangs gelanceerde QuantA Cluster of Excellence, waarin verschillende kwantumsystemen worden onderzocht.
Hoe kouder, hoe beter
De beslissende factor die momenteel de geschiktheid van dergelijke kwantumsimulatoren doorgaans beperkt, is hun temperatuur. "Hoe beter we de interessante vrijheidsgraden van het condensaat afkoelen, hoe beter we ermee kunnen werken en hoe meer we ervan kunnen leren", zegt Prüfer.
Er zijn verschillende manieren om iets af te koelen:je kunt bijvoorbeeld een gas afkoelen door het volume ervan heel langzaam te vergroten. Bij extreem koude Bose-Einstein-condensaten worden doorgaans andere trucs gebruikt:de meest energetische atomen worden snel verwijderd totdat er alleen nog maar een verzameling atomen overblijft, die een vrij uniforme lage energie hebben en daardoor koeler zijn.
"Maar we gebruiken een heel andere techniek", zegt Tiantian Zhang, eerste auteur van de studie, die dit onderwerp onderzocht als onderdeel van haar proefschrift aan het Doctoral College van het Vienna Center for Quantum Science and Technology. "We creëren een Bose-Einstein-condensaat en splitsen het vervolgens in twee delen door een barrière in het midden te creëren."
Het aantal deeltjes dat aan de rechterkant en aan de linkerkant van de barrière terechtkomt, is onbepaald. Vanwege de wetten van de kwantumfysica bestaat hier een zekere mate van onzekerheid. Je zou kunnen zeggen dat beide partijen zich in een kwantumfysische superpositie bevinden van verschillende toestanden van deeltjesaantallen.
"Gemiddeld bevindt precies 50% van de deeltjes zich aan de linkerkant en 50% aan de rechterkant", zegt Prüfer. "Maar de kwantumfysica zegt dat er altijd bepaalde fluctuaties zijn. De fluctuaties, dat wil zeggen de afwijkingen van de verwachte waarde, hangen nauw samen met de temperatuur."
Koelen door de schommelingen te beheersen
Het onderzoeksteam van de TU Wien kon aantonen dat noch een extreem abrupte, noch een extreem langzame splitsing van het Bose-Einstein-condensaat optimaal is. Er moet een compromis gevonden worden, een slim op maat gemaakte manier om het condensaat dynamisch te splitsen, om zo de kwantumfluctuaties zo goed mogelijk te beheersen.
Dit kan niet worden berekend; het probleem kan niet worden opgelost met conventionele computers. Maar met experimenten kon het onderzoeksteam aantonen dat de juiste splitsingsdynamiek kan worden gebruikt om de fluctuatie in het aantal deeltjes te onderdrukken, en dit vertaalt zich op zijn beurt in een verlaging van de temperatuur die je wilt minimaliseren.
"In dit systeem bestaan verschillende temperatuurschalen tegelijkertijd, en we verlagen er een heel specifieke van", legt Prüfer uit. “Je kunt het dus niet zien als een minikoelkast die in het algemeen merkbaar kouder wordt. Maar dat is niet waar we het over hebben:het onderdrukken van de schommelingen is precies wat we nodig hebben om ons systeem zelfs als kwantumsimulator te kunnen gebruiken. beter dan voorheen. We kunnen het nu gebruiken om vragen uit de fundamentele kwantumfysica te beantwoorden die voorheen ontoegankelijk waren."