Ulepszenie dwuwymiarowych symulacji kwantowych
Naszym światem na poziomie poszczególnych składników materii rządzi mechanika kwantowa. W związku z tym dziedzina fizyki kwantowej układów wielu ciał bada wzajemne oddziaływania cząstek zgodnie z tymi prawami. Układy te obejmują na przykład interakcje między cząsteczkami magnetycznymi w ciele stałym. Choć naukowcy znają podstawowe równania opisujące te oddziaływania, ich szczegółowa analiza stanowi wyzwanie, a ich dokładna symulacja jest niemożliwa, nawet pomimo zastosowania superkomputerów. Symulacja kwantowa wykorzystuje znane układy doświadczalne, aby lepiej poznać ten złożony obszar fizyki. Symulatory te kodują informacje w serii układów kwantowych nazywanych kubitami, które wymagają niezwykle precyzyjnej kontroli nad poszczególnymi atomami. W ramach projektu SPICY(odnośnik otworzy się w nowym oknie), finansowanego ze środków Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych(odnośnik otworzy się w nowym oknie), badacze zaprojektowali i opracowali nowy symulator kwantowy do badania dynamiki problemów dotyczących wielu cząsteczek. Urządzenie jest 100-cząsteczkowym symulatorem kwantowym, który może badać oddziaływania cząstek w dwóch wymiarach. „Otwiera to możliwość badania niektórych zjawisk zakresu fizyki kwantowej układów wielu ciał, które na poziomie 100 cząstek są już poza zasięgiem dokładnych metod numerycznych", wyjaśnia Christian Roos(odnośnik otworzy się w nowym oknie), starszy badacz w Instytucie Optyki Kwantowej i Informatyki Kwantowej na Uniwersytecie w Innsbrucku(odnośnik otworzy się w nowym oknie) i główny badacz projektu SPICY.
Budowanie dwuwymiarowego układu
Zespołowi przyświecały dwa cele budowy dwuwymiarowego układu - umożliwienie skalowania do większej liczby cząstek i opracowanie dwuwymiarowej geometrii składników. „Teoretycy opracowali techniki obliczania stanów podstawowych jednowymiarowych układów z bardzo dużą liczbą cząstek”, dodaje Roos. „"W przypadku systemów dwuwymiarowych takie metody nie są dostępne”.
Platforma doświadczalna na potrzeby fizyki wielu ciał
Uwięzione jony są wykorzystywane jako platforma do badania zjawisk kwantowych w układach wielu ciał. Istnieje kilka sposobów na uwięzienie jonów, opartych na polach elektrycznych w różnych konfiguracjach, z których każdy ma swoje wady i zalety. Platforma opracowana przez badaczy projektu SPICY wykorzystuje pułapkę opartą na falach o częstotliwości radiowej, wykorzystującą pola elektryczne do zamykania jonów. Zespół skonfigurował pułapkę zaprojektowaną do chwytania planarnych kryształów jonowych Coulomba(odnośnik otworzy się w nowym oknie) - niezwykłych stanów materii, które można traktować jako kwantowy układ mechaniczny w postaci sieci. Urządzenie to może być dostrojone do chwytania jonów w dwóch wymiarach, a nie pojedynczych niciach. Pułapka jest mikrostrukturą składającą się z kawałka pokrytej złotem stopionej krzemionki z różnymi elektrodami, które umożliwiają precyzyjną kontrolę potencjału, w którym znajdują się te kryształy jonowe.
Badanie nowatorskiego urządzenia
Po opracowaniu urządzenia, kolejnym krokiem było przeprowadzenie doświadczeń z jego udziałem. Początkowo zespół był zaniepokojony, ponieważ układ płaskich kryształów żelaza nie jest trwały, co groziło zderzeniem z innymi atomami i uniemożliwieniem przeprowadzenia znaczących eksperymentów. Zespół znalazł sposób na rozwiązanie tego problemu poprzez precyzyjne dostrojenie parametrów urządzenia. Kolejnym ważnym osiągnięciem było wykazanie, że kolektywne tryby ruchu można schłodzić do najniższych stanów kwantowych. „Następnie zaczęliśmy łączyć wewnętrzne poziomy energii jonów, po czym uzyskaliśmy splątane oddziaływania między cząstkami”, zauważa Roos.
Droga do meteorologicznie użytecznych stanów kwantowych
Oprócz najważniejszych rezultatów prac, naukowcy zaczęli również wykorzystywać swoją platformę w celu ściskania spinów - techniki, w której można tworzyć stany kwantowe użyteczne z punktu widzenia meteorologii. „To nowy obszar doświadczeń w zakresie fizyki kwantowej, które przeprowadzamy”, mówi Roos.
