Kvanttifaaseja kehitellen

Kvanttisessa monikappalefysiikassa tutkijat ovat perinteisesti esittäneet tietyn kysymyksen: Mitä kvanttifaaseja voi syntyä tietyssä vuorovaikuttavien hiukkasten järjestelmässä? Mutta viime vuosina huomio on alkanut siirtyä käänteiseen kysymykseen: Mitkä järjestelmät voisivat synnyttää tietyn kvanttifaasin?

Nyt Nicolai Lang ja hänen kollegansa Stuttgartin yliopistossa ovat edistyneet tämän kysymyksen vastaamisessa.

Teoreettisessa työssään he ovat osoittaneet, kuinka yksinkertaisia atomijärjestelmiä voidaan houkutella ennalta määrättyihin topologisesti järjestyneisiin kvanttifaaseihin, eksoottisiin tiloihin, joilla on potentiaalisia sovelluksia kvanttilaskennassa.

Tutkijat tarkastelivat atomiryhmiä, joissa jokainen atomi voidaan sijoittaa vapaasti, hallita tarkasti ja kokeellisesti altistaa realistisille kahden kappaleen vuorovaikutuksille.

Tarkemmin sanottuna tutkimusryhmä keskittyi 2D- ja 3D-ryhmiin, joissa jokainen atomi voi olla joko perustilassaan tai viritystilassaan. Nämä atomit vuorovaikuttavat niin sanotun estomekanismin kautta: Kun yksi atomi virittyy, sen voimakkaat van der Waals -vuorovaikutukset lähellä olevien atomien kanssa siirtävät näiden atomien energiatasoja riittävästi estääkseen myös atomien virittymisen. Tasainen, koherentti kytkentä perus- ja viritystilan välillä saa atomit osoittamaan kvanttidynamiikkaa.

Havainnollistamiseksi tutkijat osoittivat, kuinka tällaista järjestelyä voitaisiin käyttää saavuttamaan haluttu topologisesti järjestynyt kvanttifaasi, joka tunnetaan nimellä toorinen koodi. Toorinen koodi on topologinen kvanttivirheitä korjaava koodi.

He tarkastelivat 2D-atomiryhmää ja esittelivät erityisen symmetrian, joka saa perustilan osoittamaan toorisen koodin. Tutkijat huomauttavat, että vaikka heidän alustansa on idealisoitu, se perustuu yksinomaan fyysisesti saavutettaviin vuorovaikutuksiin, mikä voisi helpottaa kokeellisia toteutuksia tulevaisuudessa.

Tämän työkalupakin yksinkertaisuudesta huolimatta osoitamme systemaattisesti, kuinka suunnitellaan monikappalejärjestelmä, joka toteuttaa kuuluisan toorisen koodin topologisen järjestyksen, erittäin kietoutuneen kvanttifaasin, jolla on potentiaalisia sovelluksia kvanttilaskennassa.

Sitten todistamme tarkasti, että tällä perustilalla on haluttu topologinen järjestys. Tämä konstruktio on mielenkiintoinen, koska se toteuttaa vaikeasti havaittavan kvanttifaasin käyttämällä vain kokeellisesti saavutettavissa olevia kahden kappaleen vuorovaikutuksia.

Laajemmassa mielessä tuloksemme osoittavat, kuinka kvanttifluktuaatioita voidaan systemaattisesti sisällyttää keinotekoisten kvanttimateriaalien suunnitteluprosessiin kertovat tutkijat tutkimuksensa popularisoivassa yhteenvedossa.

Aiheesta aiemmin:

Aineen uuden olomuodon äärellä

Kvanttiannealaari parantaa ymmärrystä kvanttimonikehojärjestelmistä

Kvanttiversio Hertsin kipinästä