Kvantexperiment måste alltid ta itu med samma problem, oavsett om de involverar kvantdatorer, kvantteleportation eller nya typer av kvantsensorer:kvanteffekter bryts ner väldigt lätt. De är extremt känsliga för yttre störningar - till exempel för fluktuationer som bara orsakas av den omgivande temperaturen. Det är därför viktigt att kunna kyla ner kvantexperiment så effektivt som möjligt.
Vid TU Wien (Wien) har forskare nu visat att denna typ av kylning kan uppnås på ett intressant nytt sätt:Ett Bose-Einstein-kondensat delas upp i två delar, varken plötsligt eller särskilt långsamt, men med en mycket specifik tidsdynamik som säkerställer att slumpmässiga fluktuationer förhindras så perfekt som möjligt.
På så sätt kan den relevanta temperaturen i det redan extremt kalla Bose-Einstein-kondensatet reduceras avsevärt. Detta är viktigt för kvantsimulatorer, som används vid TU Wien för att få insikter om kvanteffekter som inte kunde undersökas med tidigare metoder. Studien publiceras i Physical Review X .
"Vi arbetar med kvantsimulatorer i vår forskning", säger Maximilian Prüfer, som forskar om nya metoder vid TU Wiens Atomic Institute med hjälp av ett Esprit Grant från FWF. "Kvantsimulatorer är system vars beteende bestäms av kvantmekaniska effekter och som kan kontrolleras och övervakas särskilt väl. Dessa system kan därför användas för att studera grundläggande fenomen inom kvantfysiken som även förekommer i andra kvantsystem, som inte kan studeras så lätt. ."
Det betyder att ett fysiskt system används för att faktiskt lära sig något om andra system. Denna idé är inte helt ny inom fysiken:du kan till exempel också utföra experiment med vattenvågor för att lära dig något om ljudvågor – men vattenvågor är lättare att observera.
"Inom kvantfysiken har kvantsimulatorer blivit ett extremt användbart och mångsidigt verktyg de senaste åren", säger Maximilian Prüfer. "Bland de viktigaste verktygen för att förverkliga intressanta modellsystem är moln av extremt kalla atomer, som de vi studerar i vårt laboratorium."
I den aktuella artikeln har forskarna under ledning av Jörg Schmiedmayer och Maximilian Prüfer undersökt hur kvantintrång utvecklas över tiden och hur detta kan användas för att uppnå en ännu kallare temperaturjämvikt än tidigare. Kvantsimulering är också ett centralt ämne i det nyligen lanserade QuantA Cluster of Excellence, där olika kvantsystem undersöks.
Ju kallare, desto bättre
Den avgörande faktorn som vanligtvis begränsar lämpligheten av sådana kvantsimulatorer för närvarande är deras temperatur. "Ju bättre vi kyler ned de intressanta frihetsgraderna för kondensatet, desto bättre kan vi arbeta med det och desto mer kan vi lära av det", säger Prüfer.
Det finns olika sätt att kyla ner något:Du kan till exempel kyla en gas genom att öka dess volym mycket långsamt. Med extremt kalla Bose-Einstein-kondensat används vanligtvis andra knep:de mest energirika atomerna avlägsnas snabbt tills endast en samling atomer återstår, som har en ganska jämn låg energi och därför är kallare.
"Men vi använder en helt annan teknik", säger Tiantian Zhang, första författare till studien, som undersökte detta ämne som en del av sin doktorsavhandling vid Doctoral College of Vienna Centre for Quantum Science and Technology. "Vi skapar ett Bose-Einstein-kondensat och delar sedan upp det i två delar genom att skapa en barriär i mitten."
Antalet partiklar som hamnar på höger sida och på vänster sida av barriären är obestämt. På grund av kvantfysikens lagar finns här en viss osäkerhet. Man skulle kunna säga att båda sidor är i en kvantfysisk superposition av olika partikelantaltillstånd.
"I genomsnitt är exakt 50% av partiklarna till vänster och 50% till höger", säger Prüfer. "Men kvantfysiken säger att det alltid finns vissa fluktuationer. Fluktuationerna, d.v.s. avvikelserna från det förväntade värdet, är nära relaterade till temperaturen."
Forskargruppen vid TU Wien kunde visa att varken en extremt abrupt eller extremt långsam delning av Bose-Einstein-kondensatet är optimalt. En kompromiss måste hittas, ett skickligt skräddarsytt sätt att dynamiskt dela upp kondensatet, för att kontrollera kvantfluktuationerna så bra som möjligt.
Detta kan inte beräknas; problemet kan inte lösas med konventionella datorer. Men med experiment kunde forskargruppen visa att lämplig klyvningsdynamik kan användas för att undertrycka fluktuationen i antalet partiklar, och detta i sin tur leder till en sänkning av temperaturen som du vill minimera.
"Det finns olika temperaturskalor samtidigt i det här systemet, och vi sänker en mycket specifik av dem", förklarar Prüfer. "Så du kan inte tänka på det som ett minikylskåp som blir märkbart kallare överlag. Men det är inte vad vi pratar om:att undertrycka fluktuationerna är precis vad vi behöver för att kunna använda vårt system som en kvantsimulator till och med bättre än tidigare. Vi kan nu använda det för att svara på frågor från grundläggande kvantfysik som tidigare var otillgängliga."
Mer information: Tiantian Zhang et al, Squeezing Oscillations in a Multimode Bosonic Josephson Junction, Physical Review X (2024). DOI:10.1103/PhysRevX.14.011049
Journalinformation: Fysisk granskning X
Tillhandahålls av Wiens tekniska universitet
