Forskare vid Center for Quantum Information and Quantum Biology vid Osaka University använde fångade joner för att demonstrera spridningen av vibrationskvanta som en del av en kvantomgång. Detta arbete bygger på deras utsökta kontroll av enskilda joner med hjälp av lasrar, och kan leda till nya kvantsimuleringar av biologiska system.

Här är ett enkelt spel som du kan spela med en grupp vänner. Alla ställer upp axel vid axel, och sedan slår varje person ett mynt för att bestämma om de ska ta ett steg framåt eller bakåt. Efter några rundor av vändningar, du kommer att upptäcka att din snygga linje har spridits ut slumpmässigt. Även om det här spelet låter väldigt förenklat, forskare har funnit att dessa "slumpmässiga promenader" är otroligt användbara för att förklara olika fenomen från molekylär diffusion till problem i statistik och sannolikhet.

Bland de mycket konstiga egenskaperna hos kvantmekaniken – fysikens lagar som styr beteendet hos små föremål som enskilda atomer – är den överraskande blandningen av slumpmässighet och förutsägbarhet. Särskilt, medan sannolikheten att hitta en partikel på en viss plats sprider sig förutsägbart över tiden, som krusningar i dammen, när man faktiskt gör en mätning finns det en inneboende osäkerhet. Detta gör quantum random walks fundamentalt annorlunda än sina konventionella motsvarigheter. Till skillnad från gasmolekyler som sprider sig i ett rum, vågorna i en kvantomgång kan störa sig själv, skapa ett distinkt svängningsmönster.

Forskarna vid Osaka University började med att skapa en konstgjord kristall genom att fånga en rad med fyra kalciumjoner med laser. Jonerna kan fortfarande påverka varandra med sin elektriska laddning. Sedan, teamet visade att de kunde få en jon att vibrera genom att lysa en separat laser på den.

Denna minsta möjliga vibration, kallas en fonon, agerade som ett energipaket som kunde överföras till en närliggande jon. Som första författaren Masaya Tamura förklarar, "Genom att använda förmågan att förbereda och observera en lokaliserad fonon, dess fortplantning i en linjär kristall med fyra joner kan observeras med singelplatsupplösning." Genom att vänta i olika tidslängder upp till 10 millisekunder, de uppmätta fononplatserna matchade de teoretiska förutsägelserna.

"Vårt system som använder fononer erbjuder en plattform för att realisera kvantsimuleringar för att studera öppna frågor inom kemi och biologi, " säger seniorförfattaren Kenji Toyoda. "T.ex. det har antagits att fotosyntesens otroliga 95% effektivitet beror på, åtminstone delvis, på det faktum att quantum random walks agerar annorlunda jämfört med klassisk slumpmässighet. Systemet som visas här kanske kan lösa dessa och andra viktiga problem."