Timanteista kvanttisimulaattoreita

Timantteja arvostetaan niiden virheettömän kiillon vuoksi, mutta Chong Zu, -fysiikan apulaisprofessori Washington St. Louisin yliopistosta, näkee näissä luonnonkiteissä syvemmän arvon. Kuten tutkimusraportissa kerrotaan, Zu ja hänen tiiminsä ovat ottaneet suuren askeleen eteenpäin pyrkiessään muuttamaan timanteista kvanttisimulaattorin.

Tutkijat muuttivat timantteja pommittamalla niitä typpiatomeilla. Jotkut niistä syrjäyttävät hiiliatomeja, mikä luo puutteita muuten täydellisessä kiteessä. Tuloksena olevat aukot täytetään elektroneilla, joilla on oma spin ja magnetismi, kvanttiominaisuudet, joita voidaan mitata ja manipuloida monenlaisia sovelluksia varten.

Kuten Zu ja hänen tiiminsä paljastivat aiemman booritutkimuksen myötä, tällaisia puutteita voitaisiin mahdollisesti käyttää kvanttiantureina, jotka reagoivat ympäristöönsä ja toisiinsa. Uudessa tutkimuksessa tutkijat keskittyivät kuitenkin toiseen mahdollisuuteen: epätäydellisten kiteiden käyttämiseen uskomattoman monimutkaisen kvanttimaailman tutkimiseen.

Uusi tutkimus osoittaakin, että on mahdollista simuloida suoraan monimutkaista kvanttidynamiikkaa käyttämällä ohjattavaa kvanttijärjestelmää.

"Suunnittelemme kvanttijärjestelmämme huolellisesti luodaksemme simulaatio-ohjelman ja antaaksemme sen toimia", Zu sanoi. "Lopuksi tarkkailemme tuloksia. Se on jotain, jota olisi lähes mahdotonta ratkaista klassisen tietokoneen avulla."

Ryhmän edistyminen tällä alalla mahdollistaa monikappaleisen kvanttifysiikan jännittävimpien puolien tutkimisen, mukaan lukien aineen uusien faasien toteuttamisen ja monimutkaisista kvanttijärjestelmistä tulevien ilmiöiden ennustamisen.

Uusimmassa tutkimuksessa Zu ja hänen tiiminsä pystyivät pitämään järjestelmänsä vakaana jopa 10 millisekuntia, mikä on pitkä aika kvanttimaailmassa. On huomattavaa, että toisin kuin muut erittäin kylmissä lämpötiloissa toimivat kvanttisimulaatiojärjestelmät, heidän timanttirakenteinen järjestelmä toimii huoneenlämmössä.

Yksi avain kvanttijärjestelmän pitämiseen ehjänä on estää termalisointuminen, jossa järjestelmä absorboi niin paljon energiaa, että kaikki viat menettävät ainutlaatuiset kvanttiominaisuudet ja näyttävät lopulta identtisiltä. Tiimi havaitsi, että he voisivat viivyttää tätä seurausta ohjaamalla järjestelmää niin nopeasti, ettei sillä ole aikaa absorboida energiaa. Tämä jättää järjestelmän suhteellisen vakaaseen "esitermalisoinnin" tilaan.

Uuden timanttipohjaisen järjestelmän avulla fyysikot voivat tutkia useiden kvanttialueiden vuorovaikutuksia kerralla. Se avaa myös mahdollisuuden yhä herkemmille kvanttiantureille. "Mitä kauemmin kvanttijärjestelmä elää, sitä suurempi on herkkyys", Zu sanoi.

Aiheesta aiemmin:

Lupaavia rakenneosia kvanttisimulaattoreille

Kvanttisimulointia analogisesti ja koneoppimisella

Jalokivessä avain tulevaisuuden kvanttitietokoneille