Fysiker vid EPFL föreslår en ny "kvantsimulator":en laserbaserad enhet som kan användas för att studera ett brett utbud av kvantsystem. Studerar det, forskarna har funnit att fotoner kan bete sig som magnetiska dipoler vid temperaturer nära absolut noll, följa kvantmekanikens lagar. Den enkla simulatorn kan användas för att bättre förstå egenskaperna hos komplexa material under sådana extrema förhållanden.

När de är föremål för kvantmekanikens lagar, system gjorda av många interagerande partiklar kan visa beteende så komplext att dess kvantitativa beskrivning trotsar kapaciteten hos de mest kraftfulla datorerna i världen. 1981, Den visionära fysikern Richard Feynman hävdade att vi kan simulera ett sådant komplext beteende med hjälp av en konstgjord apparat som styrs av samma kvantlagar - vad som har kommit att kallas en "kvantsimulator".

Ett exempel på ett komplext kvantsystem är magneter placerade vid riktigt låga temperaturer. Nära absolut noll (-273,15 grader Celsius), magnetiska material kan genomgå vad som är känt som en "kvantfasövergång". Som en konventionell fasövergång (t.ex. is som smälter till vatten, eller vatten som avdunstar till ånga), systemet växlar fortfarande mellan två tillstånd, förutom att nära övergångspunkten uppvisar systemet kvantförveckling – den mest djupgående egenskap som förutsägs av kvantmekaniken. Att studera detta fenomen i verkliga material är en häpnadsväckande utmanande uppgift för experimentella fysiker.

Men fysiker ledda av Vincenzo Savona vid EPFL har nu kommit med en kvantsimulator som lovar att lösa problemet. "Simulatorn är en enkel fotonisk enhet som enkelt kan byggas och köras med nuvarande experimentella tekniker, säger Riccardo Rota, postdoktorn på Savonas labb som ledde studien. "Men ännu viktigare, det kan simulera det komplexa beteendet hos verkliga, interagerande magneter vid mycket låga temperaturer."

Simulatorn kan byggas med supraledande kretsar – samma tekniska plattform som används i moderna kvantdatorer. Kretsarna är kopplade till laserfält på ett sådant sätt att det orsakar en effektiv interaktion mellan ljuspartiklar (fotoner). "När vi studerade simulatorn, vi fann att fotonerna uppförde sig på samma sätt som magnetiska dipoler över kvantfasövergången i verkliga material, säger Rota. Kort sagt, vi kan nu använda fotoner för att köra ett virtuellt experiment på kvantmagneter istället för att behöva ställa in själva experimentet.

"Vi är teoretiker, " säger Savona. "Vi kom på idén till just denna kvantsimulator och modellerade dess beteende med hjälp av traditionella datorsimuleringar, vilket kan göras när kvantsimulatorn adresserar ett tillräckligt litet system. Våra resultat bevisar att kvantsimulatorn vi föreslår är livskraftig, och vi för nu samtal med experimentella grupper som verkligen vill bygga och använda det."

Förstående, Rota är upphetsad:"Vår simulator kan appliceras på en bred klass av kvantsystem, tillåter fysiker att studera flera komplexa kvantfenomen. Det är ett verkligt anmärkningsvärt framsteg i utvecklingen av kvantteknologi."