Fysiker har utvecklat en kvantsimuleringsmetod som kan "nästan kyla" ett experimentellt kvantsystem till en bråkdel av dess faktiska temperatur. Metoden skulle potentiellt kunna ge tillgång till extremt låga temperaturfenomen, såsom ovanliga former av supraledning, som aldrig har observerats tidigare. Simuleringen innebär att man förbereder flera kopior av systemets kvanttillstånd, stör staterna, och göra mått på varje kopia, vilket i slutändan ger en simulerad mätning på samma system vid en lägre temperatur.

Teamet av fysiker, Jordan Cotler vid Stanford University och medförfattare, har publicerat en artikel om kvantvirtuell kylningsmetoden i ett nyligen utgåva av Fysisk granskning X .

Som forskarna förklarade, Resultaten bygger på tanken att det finns ett starkt samband mellan temperatur och kvantintrassling.

"Ett modernt perspektiv inom fysiken är att temperatur är en framväxande egenskap hos kvantintrassling, " berättade Cotler Phys.org . "Med andra ord, vissa mönster av kvantintrassling ger upphov till det välbekanta begreppet temperatur. Genom att målmedvetet manipulera mönstret av intrassling i ett system, vi kan få tillgång till lägre temperaturer. Även om dessa anmärkningsvärda idéer tidigare uppfattades teoretiskt, vi kom på hur vi skulle implementera dem experimentellt."

Framtida experimentella realiseringar av den virtuella kylningstekniken skulle kunna göra det möjligt för forskare att mäta temperatur på till synes omöjliga sätt.

"Vi kanske kan använda virtuell kvantkylning för att "korsa" vad som kallas fasövergångar med ändlig temperatur, " sa Cotler. "Det här verkar ganska bisarrt - det skulle vara som att ta två glas flytande vatten, och genom att göra en kvantmätning, du lär dig om egenskaperna hos fast is. Anmärkningsvärt, detta verkar i princip möjligt, men i praktiken vi måste använda system som är lättare att kontrollera än vatten. Ändå, vi kanske fortfarande kan förbereda ett system i en fas, och använd virtuell kvantkylning för att undersöka en annan fas som bara inträffar vid en lägre temperatur."

Hur det fungerar

Den virtuella kylningsmetoden är utformad för att fungera på en typ av system som kallas ett starkt korrelerat kvantmångkroppssystem. Ett exempel på ett sådant system är ett system av ultrakalla atomer som fångas av ett rutnät av lasrar som kallas ett "optiskt gitter". Atomerna kan hoppa från rutnätspunkt till rutnätspunkt och interagera med varandra. Starkt korrelerade kvantmångkroppssystem som ultrakallfångade atomer förutspås teoretiskt avslöja intressant beteende vid ultrakalla temperaturer. Tyvärr, många av de förutspådda lågtemperaturfenomenen har aldrig observerats på grund av svårigheten att kyla till så kalla temperaturer.

Ett nyligen utvecklat tillvägagångssätt för kylning är att använda en kvantsimulator - ett fysiskt system som består av atomer, fotoner, kvantprickar, eller något annat fysiskt föremål, som används för att modellera ett annat fysiskt system som inte är lika väl förstått. I kvantsimulatorn som introducerades i det nya dokumentet, atomer vid någon tillgänglig temperatur används för att modellera atomer vid en kallare, traditionellt otillgänglig temperatur. Med andra ord, ett kvantsystem används för att simulera en delmängd av sig själv vid en lägre temperatur. På grund av deras kvantegenskaper, kvantsimulatorer kan utföra vissa uppgifter som denna som är utom räckhåll för klassiska datorer, som inte kan utnyttja kvantintrassling och superposition.

En av de viktigaste sakerna med den nya simulatorn är att det inte finns någon faktisk fysisk kylning alls. Istället, den virtuella kylningen uppnås genom att störa många atomer, mäter dessa atomer, och sedan bearbeta mätdata. Att demonstrera, fysikerna använde metoden för att simulera mätningar av atomernas täthet i vad som kallas en "Bose-Hubbard-modell, " som specificerar vissa typer av interaktioner mellan atomerna. Den grundläggande proceduren går ut på att förbereda två eller flera identiska kopior av många-atoms kvanttillstånd på olika fysiska platser (här, de optiska gittren). Sedan induceras kvanttunnel mellan kopiorna, som tillåter atomär interferens mellan dem. Till sist, antalet atomer som upptar varje plats mäts för varje gitterplats, vilket görs med hjälp av ett kvantgasmikroskop.

Efter att ha upprepat proceduren flera gånger vid den faktiska temperaturen, och sedan ta genomsnittet, metoden ger den lokala tätheten av atomer vid en reducerad temperatur på T / n , var T är systemets faktiska temperatur och n är antalet exemplar som används. I den första demonstrationen, forskarna använde två exemplar, som tillät åtkomst till systemet vid hälften av dess ursprungliga temperatur. Dessa experimentella resultat överensstämde nära teoretiska förutsägelser.

Medan metoden teoretiskt sett tillåter systemet att praktiskt taget kylas hela vägen till dess marktillstånd, dvs. nolltemperaturtillståndet, i praktiken begränsas mängden kylning av skalningssvårigheter som är involverade i att mäta flera kopior av systemet med tillräckligt hög precision. Fortfarande, på grund av att ingen fysisk kylning är inblandad, forskarna förväntar sig att simuleringsmetoden kan användas för att praktiskt taget minska temperaturen i ett kvantsystem efter att alla fysiska kylningsmetoder har använts, så det kan ge ytterligare kylning för vilken annan metod som helst.

Coola framtidsplaner

I framtiden, fysikerna planerar att ytterligare utöka tillvägagångssättet för att utöka kvantvirtuell kylning för att mäta mer komplicerade egenskaper. Medan den nuvarande uppsättningen utformades för att endast mäta atomdensitet vid låga temperaturer, fysikerna utvecklade en alternativ kylningsmetod för att mäta andra egenskaper. Detta tillvägagångssätt använder qubits i en kvantkrets, liknande förtrasslingsreningsprotokoll.

Forskarna hoppas också kunna tillämpa virtuell kvantkylning för att undersöka lågtemperaturfenomen som d-vågssupraledning, en typ av högtemperatursupraledning, vilket inte är lika väl uppfattat som lågtemperatursupraledning.

"Angående d-vågssupraledning, det skulle vara intressant att observera det som en lågtemperaturfas av Fermion-Hubbard-modellen, som experimentellt kan realiseras i labbet, " sa Cotler. "Här, "Fermion-Hubbard-modellen" är fysikjargong för ett system med specifika typer av interaktioner, och med ingående partiklar som är fermioner (varav elektroner är ett välkänt exempel).

"Du kanske frågar, varför är just denna uppsättning interaktioner intressant, och varför bryr vi oss om observationen av en supraledande fas av d-våg vid låga temperaturer? Det finns flera skäl. En är att Fermion-Hubbard-modellen är ett bra system ur en teoretisk synvinkel, och det kan ge insikter i mer komplicerade system som vi antingen observerar i naturen, eller vill ingenjör.

"Dock, det är svårt att förstå lågtemperatursupraledning i systemet - ekvationerna är för svåra, och att simulera systemet på en dator är nästan omöjligt, även om vi har en superdator. Ett tillvägagångssätt är att simulera Fermion-Hubbard-modellen på en kvantdator, men vi har ingen ännu som kan göra det. Istället, vi kan bygga en Fermion-Hubbard-modell i labbet, och utforska dess lågtemperaturegenskaper genom att kyla den. Med andra ord, vi behöver ingen kvantdator eftersom vi faktiskt bygger det önskade systemet i labbet. Men nu är problemet faktiskt att kyla ner experimentsystemet till tillräckligt låga temperaturer för att man kan se en supraledande fas. Detta är för närvarande utom räckhåll, men det verkar som om virtuell kvantkylning kan hjälpa."

© 2019 Science X Network