Ny forskning ger insikt i ett experiment som nyligen kunde manipulera ett oöverträffat antal atomer genom en kvantsimulator. Denna nya teori kan ge ytterligare ett steg på vägen till att skapa de svårfångade kvantdatorer.

Ett internationellt team av forskare, ledd av University of Leeds och i samarbete med Institute of Science and Technology Austria och University of Geneva, har gett en teoretisk förklaring till det specifika beteendet hos enskilda atomer som fångades och manipulerades i ett experiment nyligen av Harvard University och MIT. Experimentet använde ett system med finstämda lasrar för att fungera som "optisk pincett" för att montera en anmärkningsvärt lång kedja med 51 atomer.

När atomkedjans kvantdynamik mättes, det fanns överraskande svängningar som varade mycket längre än väntat och som inte kunde förklaras.

Studera medförfattare, Dr Zlatko Papic, Föreläsare i teoretisk fysik i Leeds, sade:"Det tidigare Harvard-MIT-experimentet skapade förvånansvärt robusta oscillationer som höll atomerna i ett kvanttillstånd under en längre tid. Vi fann att dessa oscillationer var ganska förbryllande eftersom de föreslog att atomer på något sätt kunde" komma ihåg "deras ursprungliga konfiguration medan rör sig fortfarande kaotiskt.

"Vårt mål var att mer allmänt förstå var sådana svängningar kan komma ifrån, eftersom svängningar betyder någon form av sammanhang i en kaotisk miljö - och det är just detta vi vill ha från en robust kvantdator. Vårt arbete tyder på att dessa svängningar beror på ett nytt fysiskt fenomen som vi kallade "kvantmånga kroppsärr". "

I vardagen, partiklar kommer att studsa av varandra tills de utforskar hela rymden, som så småningom löste sig i ett jämviktstillstånd. Denna process kallas termalisering. Ett kvantärr är när en speciell konfiguration eller väg lämnar ett avtryck på partiklarnas tillstånd som hindrar dem från att fylla hela utrymmet. Detta förhindrar att systemen når termalisering och gör att de kan bibehålla vissa kvanteffekter.

Dr Papic sa:"Vi lär oss att kvantdynamik kan vara mycket mer komplex och invecklad än bara termisering. Den praktiska fördelen är att längre perioder med oscillationer är exakt vad som behövs för att kvantdatorer ska bli verklighet. Informationen bearbetas och lagras på dessa datorer kommer att vara beroende av att ha atomerna i mer än ett tillstånd när som helst, det är en ständig kamp för att hålla partiklarna från att sätta sig i en jämvikt. "

Studera huvudförfattare, Christopher Turner, doktorand vid School of Physics and Astronomy i Leeds, sade:"Tidigare teorier om kvantärr har formulerats för en enda partikel. Vårt arbete har utvidgat dessa idéer till system som inte innehåller en utan många partiklar, som alla är intrasslade med varandra på komplicerade sätt. Quantum ärr med många kroppar kan representera en ny väg för att förverkliga en sammanhängande kvantdynamik. "

Kvantekroppen för många kroppsärr belyser de kvanttillstånd som ligger till grund för atomernas konstiga dynamik i Harvard-MIT-experimentet. Att förstå detta fenomen kan också bana väg för att skydda eller förlänga livslängden för kvanttillstånd i andra klasser av kvantmångkroppssystem.