Kvanttisimulointia valolla

Riccardo Rota ja Vincenzo Savona, kaksi EPFL:n fyysikkoa, jotka ovat johtaneet tutkimukseen, työskentelivät kvantti-simulaattorinsa suunnittelussa.

Ecole Polytechnique Fédérale de Lausannen (EPFL) fyysikot ehdottavat uutta kvanttisimulaattoria: laserpohjaista laitetta, jota voidaan käyttää monien kvanttijärjestelmien tutkimiseen. Aihetta tutkien he havaitsivat, että fotonit voivat käyttäytyä kuin magneettiset dipolit absoluuttisen nollan lähellä olevissa lämpötiloissa, seuraten kvanttimekaniikan lakeja.

Kvanttimekaniikan lakien alaisuudessa monista vuorovaikutteisista hiukkasista tehdyt järjestelmät voivat esittää niin monimutkaisia käyttäytymismalleja, että sen kvantitatiivinen kuvaus on maailman tehokkaimpien tietokoneiden ominaisuuksien ulottumattomissa.

Vuonna 1981 visionääri fyysikko Richard Feynman väitti, että voimme simuloida tällaista monimutkaista käyttäytymistä hyödyntämällä keinotekoista laitetta, jota ohjaavat kvanttimekaniikan lait eli käyttäen "kvanttisimulaattoria".

Eräs esimerkki monimutkaisesta kvanttijärjestelmästä on se, että magneetit sijoitetaan todella mataliin lämpötiloihin. Lähes absoluuttinen nollassa (-273,15 °C) magneettiset materiaalit voivat käydä läpi niin kutsutun "kvanttifaasimuunnoksen".

Kuten tavanomainen faasimuutos, järjestelmä siirtyy edelleen kahden tilan välillä, paitsi että siirtymäpisteen lähellä oleva järjestelmä osoittaa selvästi kvanttilomittumista. Tämän ilmiön tutkiminen todellisissa materiaaleissa on kokeilevalle fysiikalle erittäin haastava tehtävä.

Mutta EPFL:ssä Vincenzo Savonan johtamat fyysikot ovat nyt keksineet kvantti-simulaattorin, joka lupaa ratkaista ongelman. "Simulaattori on yksinkertainen fotoninen laite, joka voidaan helposti rakentaa ja käyttää nykyisillä kokeilutekniikoilla", kertoo Riconardo Rota, Savonan laboratorion johtaja, joka johti tutkimusta.

Simulaattori voidaan rakentaa suprajohtavien piirien avulla. Sen piirit on kytketty laserkenttiin siten, että aiheutetaan tehokas vuorovaikutus fotonien välillä.

"Kun tutkimme simulaattoria, havaitsimme, että fotonit käyttäytyivät samalla tavalla kuin magneettiset dipolit todellisissa materiaaleissa tapahtuvassa kvanttifaasimuutoksessa", Rota toteaa. Eli fotoneja voi käyttää virtuaaliseen kvanttimagneettien kokeiluun sen sijaan, että rakentaisimme itse kokeilunasetelman.

"Olemme teoreetikkoja", sanoo Savona. "Me kehittelimme tämän kvantti-simulaattorin ajatuksen ja mallinsimme sen käyttäytymisen perinteisillä tietokoneilla tapahtuvilla simuloinneilla, jotka voidaan tehdä, kun kvantti-simulaattori käsittelee riittävän pientä järjestelmää.

Tuloksemme osoittavat, että ehdotettu kvantti-simulaattori on elinkelpoinen, ja olemme nyt keskustelemassa kokeellisten ryhmien kanssa, jotka haluaisivat todella rakentaa ja käyttää sitä.

"Simulaattoriamme voidaan soveltaa laajaan luokkaan kvanttijärjestelmissä, jolloin fyysikot voivat tutkia useita monimutkaisia kvantti-ilmiöitä. Se on todella merkittävä edistysaskel kvanttiteknologioiden kehittämisessä," toteavat tutkijat yliopistonsa tiedotteessa.

Aiheesta aiemmin: Kvanttitietokoneet töihin