Fenomena kuantum aneh lebih umum dari yang diperkirakan, fisikawan ISTA menunjukkan
Fenomena kuantum yang mengejutkan yang bertentangan dengan dorongan alam semesta untuk meningkatkan kekacauan mungkin tidak terlalu eksotis. Sejauh ini, bekas luka banyak tubuh kuantum dianggap hanya ada di bawah kondisi eksperimental tertentu. Dalam kerangka teori, fisikawan ISTA menunjukkan bentuk baru bekas luka kuantum yang kemungkinan diabaikan karena peningkatan kompleksitasnya. Temuan, sekarang diterbitkan di Surat Ulasan Fisikdapat memiliki aplikasi di masa depan dalam komputasi kuantum.
Pesanan bersifat sementara. Dari ekspansi alam semesta sejak Big Bang ke ruang hidup kita yang kurang lebih rapi, segala sesuatu di sekitar kita terus -menerus menjadi lebih berantakan secara default. Inilah bagaimana keseimbangan tercapai secara spontan. Misalnya, jika kita memotong silinder selam terbuka, gas bertekanan akan dengan cepat bubar, dan kemungkinan bahwa itu akan mengatur ulang secara spontan ke dalam konformasi bertekanan di dalam tangki scuba praktis nol. Peningkatan “kekacauan” ini juga telah diasumsikan benar dalam sains kuantum, di mana sistem dapat berada dalam superposisi kuantum dari banyak negara secara bersamaan.
Namun, dalam sebuah penelitian yang diterbitkan di Alam Pada tahun 2017, simulator kuantum yang menggunakan atom ultracold menghasilkan hasil yang membingungkan: alih -alih mencapai keseimbangan dengan peningkatan kekacauan, ia kembali ke keadaan awal yang dipesan berulang kali. Untuk menggarisbawahi sifatnya yang berlawanan dengan intuisi, sebuah artikel majalah Quanta membandingkan fenomena ini dengan es loli es krim yang meleleh dan membenarkan kembali. “Fenomena ini, yang dikenal sebagai 'bekas luka banyak tubuh' atau QMBs kuantum, berarti bahwa serangkaian kondisi kuantum awal berlanjut dari waktu ke waktu alih-alih hancur berantakan,” kata penulis utama studi tersebut, Jean-Yves Desaules, postdoc dalam kelompok Meksym Serbyn di Institut Sains dan Teknologi Austria (Ista). Namun, studi baru yang dipimpinnya dengan kandidat PhD ISTA Aron Kerschbaumer dan Serbyn menunjukkan bahwa bekas luka kuantum ini jauh lebih umum daripada yang diperkirakan pada awalnya. “Kami menunjukkan beberapa lintasan QMBS baru yang kemungkinan telah diabaikan selama bertahun -tahun karena struktur mereka yang lebih rumit,” kata Desaules. Alih -alih mencampur di luar pemulihan, lintasan yang baru dijelaskan akan memungkinkan informasi kuantum tetap lokal dan dapat diambil.
Atom 'bekas luka' memiliki jejak masa lalu
Untuk membentuk simulator kuantum yang dijelaskan pada 2017 Alam Studi, 51 atom rubidium didinginkan hingga sebagian kecil di atas nol absolut dan diatur secara berturut -turut menggunakan laser yang dikenal sebagai pinset optik. Elemen kimia yang populer dalam sistem kuantum, rubidium memiliki elektron valensi luar tunggal yang dapat bersemangat untuk keadaan energi yang sangat tinggi, sehingga memungkinkan atom mencapai ukuran yang benar -benar raksasa pada skala atom. Dengan atom rubidium dingin yang menarik, fisikawan dapat menghasilkan partikel dengan sifat aneh, termasuk respons berlebihan terhadap medan listrik dan magnet. Partikel -partikel semacam itu, yang disebut atom Rydberg, sangat berguna dalam ilmu kuantum.
Memulai sistem dalam konfigurasi awal tertentu, simulator kuantum awal ini dengan 'qubits' 51-blok bangunan mendasar dari sistem kuantum menunjukkan fenomena aneh. Alih -alih mencapai keseimbangan dengan menyimpang ke kemungkinan besar keadaan kuantum, atom -atom yang dikembalikan secara berkala ke konfigurasi kuantum awal yang tepat. Seolah -olah 'bekas luka,' atom -atom tampaknya memiliki jejak masa lalu yang menarik mereka kembali ke konfigurasi asli mereka berulang kali. Dengan demikian, perilaku aneh ini kemudian disebut “jaringan parut banyak tubuh,” di mana “banyak tubuh” mengacu pada beberapa partikel yang berinteraksi dalam sistem kuantum.
Mencegah berebut informasi
Salah satu properti khusus atom Rydberg adalah bahwa atom yang bersemangat akan mencegah rangsangan lain di sekitarnya-A properti yang disebut “Blokade Rydberg.” Hal ini disebabkan oleh jarak antara pinset optik, juga dikenal sebagai kisi optik, yang menahan qubit di tempat seperti manik -manik pada string. Sejauh ini, jaringan parut di simulator Rydberg telah diamati ketika apa yang disebut “jari-jari blokade” hanya diperluas ke satu atom tetangga di setiap sisi qubit yang tereksitasi. Ini didefinisikan sebagai jari -jari blokade satu. Sampai baru -baru ini, QMBS dianggap hanya terjadi di bawah kondisi yang tepat ini dan tidak, misalnya, ketika jari -jari blokade termasuk dua atau lebih atom di setiap sisi qubit yang tereksitasi. “Dalam pekerjaan kami, kami menunjukkan bahwa jari -jari blokade dari satu bukanlah kasus luar biasa di mana jaringan parut kuantum dapat terjadi, melainkan norma,” kata Desaules. Kunci untuk membuka kunci negara-negara terlarang tambahan ini, ia menjelaskan, adalah sejumlah kecil “keterikatan lokal”-sebuah fenomena yang melaluinya keadaan kuantum masing-masing partikel dalam suatu kelompok tidak dapat dijelaskan secara independen dari keadaan yang lain. Serbyn menambahkan, “Dengan keadaan bekas luka yang baru, alih -alih lintasan kuantum menjadi segera berantakan dengan informasi yang berebut, qubit dapat dimulai di negara -negara yang terjerat secara lokal dan mengeksplorasi keadaan 'pengambilan' yang baru, yang berarti bahwa informasi kuantum tetap dapat dipulihkan secara lokal.”
Aplikasi di masa depan dalam komputasi kuantum?
Di luar sains kuantum teoritis, sifat -sifat khusus atom Rydberg berpotensi menarik untuk komputasi kuantum, suatu aspek yang akan diselidiki oleh fisikawan ISTA lebih lanjut. Dengan menunjukkan bahwa bekas luka kuantum jauh lebih umum daripada yang diperkirakan sebelumnya, mereka menunjukkan bahwa jaringan parut adalah alat yang kuat untuk menangani informasi kuantum. “Bekas luka banyak tubuh kuantum memungkinkan kami untuk membuat status kuantum yang rumit dengan sedikit upaya yang dapat terbukti bermanfaat untuk algoritma kuantum,” kata Kerschbaumer. “Jadi, dalam hal ini, bekas luka kuantum bisa menjadi sumber yang penting untuk perhitungan kuantum di masa depan.” Kerschbaumer memulai proyek ini selama rotasi pertamanya sebagai mahasiswa pascasarjana ISTA di Serbyn Group sebelum melanjutkan dengan rotasi yang diperlukan dalam kelompok lain. Selama waktu ini, Desaules mengkonsolidasikan teori. Begitu Kerschbaumer menjadi berafiliasi dengan kelompok Serbyn, ia melanjutkan simulasi numerik dengan bantuan mantan postdoc ISTA Marko Ljubotina. Sementara penelitian ini mengeksplorasi bekas luka kuantum dalam satu dimensi-pengaturan linier atom Rydberg, atau qubit-tim bertujuan untuk memperluas analisis mereka ke atom yang diatur dalam kisi-kisi 2D. “Menjelajahi dimensi yang lebih tinggi akan membuat sistem ini jauh lebih kompleks dan lebih sulit untuk diobati secara analitis dan numerik,” kata Kerschbaumer. “Tapi di sinilah kita akan menuju berikutnya.”
Publikasi:
Aron Kerschbaumer, Marko Ljubotina, Maksym Serbyn, dan Jean-Yves Desaules. 2025. Bekas banyak kuantum di luar model PXP dalam simulator Rydberg.Surat Ulasan Fisik. Doi: 10.1103/physrevlett.134.160401
