Singapore University of Technology and Design (SUTD) forskare har upptäckt hur miljön kan påverka mycket känsliga kvantbeteenden som lokalisering. Deras resultat, publiceras i Kaos , kan leda till framtida innovationer i utformningen av supraledande material och kvantanordningar, inklusive superexakta sensorer.

Kvantteknik, i synnerhet kvantavkänning, lovar att mäta och fånga vår värld med noggrannhetsnivåer som aldrig tidigare varit möjliga. Sådan precision har olika tillämpningar, från snabbare och mer känslig medicinsk bildbehandling till inspelningstid på högfrekventa marknadsaffärer, och även utvecklingen av sensorer som kan avgöra om marken under oss är fast sten eller en naturlig olje- och gasreservoar.

Men trots all sin teoretiska potential, En stor praktisk utmaning kvarstår när man producerar kvantmätapparater:att kontrollera hur de reagerar på miljön. Verkliga enheter är extremt känsliga för buller, vilket i bästa fall minskar deras precisionsnivå och i värsta fall leder till oacceptabla felnivåer. När det gäller att tillverka ultraprecisa sensorer, sådant brus kan överväldiga alla användbara signaler.

Att förstå hur kvantenheter reagerar på buller skulle hjälpa forskare att hitta nya sätt att skydda dem från buller, göra nya mät- och avkänningstekniker mer genomförbara. Förutom att öka deras noggrannhet, forskare kanske till och med kan ge kvantenheter nya egenskaper. "Om du kunde ställa in mängden brus som dessa enheter upplever, du kan få dem att fungera väldigt olika och få en ännu mer intressant enhet, "förklarade docent Dario Poletti från SUTD, som ledde studien.

Till exempel, forskare har vetat i decennier att störning i ett system kan orsaka ett fenomen som kallas lokalisering, där ett system "fastnar" till sitt initiala tillstånd. Å andra sidan, när partiklarna i ett system interagerar starkt med varandra, det finns en möjlighet att de kan lossna, ' det är, delokaliserats.

För att studera denna dragkamp mellan oordning och interaktion, Poletti och Ph.D. student Xiansong Xu lade till en tredje variabel:miljön. Börjar med en teoretisk modell som kallas XXZ -spinnkedjan, forskarna visade att miljön kan ha kontrasterande effekter på lokalisering, beroende på styrkan hos både störningen och interaktionen i systemet.

Utföra numeriska beräkningar på modellen, forskarna fann att att sätta systemet i kontakt med en dissipativ miljö som ett bad av fotoner drev det mot delokalisering och gjorde det mer mobilt, flytande och enhetlig, som vatten.

Viktigt, de fann också att även om både svagt och starkt interagerande system fortfarande visade tecken på lokalisering, typerna av lokalisering var förvånansvärt olika:en kornigare och fast, som sand, och den andra, mer enhetlig medan den fortfarande sitter fast, som is.

Denna teoretiska upptäckt tyder på att egenskaperna hos vissa material kan justeras genom förändringar i den yttre miljön. Till exempel, forskare kanske kan förvandla ett material från en isolator till en ledare genom att lysa ljus på det - eller förvandla materialet från en sorts isolator till en annan, med applikationer som går utöver kvantteknologi till materialvetenskap och nanoelektronik.

"Det finns redan kvantenheter där ute, och vi kommer förmodligen att se fler och fler av dem, ", sa Poletti. "Enheter är aldrig riktigt isolerade från sina miljöer, så vi skulle vilja förstå bättre hur de kan arbeta tillsammans med miljön."

"Nu är strävan att gräva djupare och leta efter olika system, eller gå mot riktiga material och se vad mer som kan hända där, ", tillade han. "Denna sorts forskning görs under många år. Vi försöker bygga grundläggande kunskap och verktyg så att så småningom industrin kan ta över."