Undviget faseændring blev endelig opdaget i en kvantesimulator

Forskere så en kæde af atomer i en kvantesimulator gå fra at være magnetisk til ikke magnetisk overhovedet, første gang en sådan ændring nogensinde er blevet set i en rumlig dimension

En ionfælde kan kontrollere atomer til kvanteeksperimenter

Efter årtier med at kigge har forskere set en række atomer gå gennem en 1D -faseændring, der er så undvigende, at det kun kunne ske i en kvantesimulator.

”En motivation (til vores eksperiment) prøver virkelig at forstå grundlæggende fysik. Vi prøver bare at forstå de grundlæggende tilstande, der betyder noget, ”siger Alexander Schuckert på University of Maryland.

Han og hans kolleger brugte elektromagnetiske felter til at arrangere 23 ioner af elementet ytterbium til en linje og dannede en næsten en-dimensionel kæde. Denne enhed kan bruges til kvanteberegning, men i dette tilfælde brugte forskerne kæden som en simulator i stedet.

Inden for den byggede de en 1D ytterbiummagnet en atom ad gangen. Tidligere beregninger forudsagde, at denne type magnet ville blive umagnetiseret, når de opvarmes, takket være kvanteeffekter. Men intet tidligere eksperiment havde opnået denne faseovergang.

En af grundene til vanskeligheden er, at systemer som kvantecomputere og simulatorer typisk kun fungerer godt, når de er meget kolde. Opvarmning af dem til at få faseovergangen til at forekomme kan således forårsage funktionsfejl, siger Schuckert.

For at undgå dette afstemte han og hans kolleger atomernes oprindelige kvantetilstand, så når den gik på 1D -magnetens kollektive tilstand ændrede sig som om dens temperatur var blevet øget. Dette afslørede den aldrig før set faseovergang.

Præstationen er meget eksotisk, fordi kæder af atomer generelt ikke bør gennemgå faseovergange, siger Mohammad Maghrebi ved Michigan State University. Forskerne var kun i stand til at konstruere det, fordi de kunne få hver ion til at interagere med andre, der var langt fra det, selvom de ikke var rørende. Dette skubbede hele linjen ind i en usædvanlig kollektiv opførsel.

Fordi deres simulator muliggør så eksotiske tilstande af stof, kunne det bruges til at studere teoretiske systemer, der kan være meget sjældne – eller endda ikke eksistere – i naturen, siger Maghrebi.

Schuckert foreslår, at kvantesimulatorer også kan hjælpe med at forklare ulige elektriske eller magnetiske adfærd, som nogle materialer viser i den virkelige verden. Men for at gøre det skal disse enheder være i stand til at nå højere temperaturer, end de kan i dag. De kan i øjeblikket kun modellere ekstremt kolde temperaturer, men han siger, at simuleringer med højere temperatur kan være mulige inden for fem år.

Og endnu flere eksisterende og teoretiske systemer kunne undersøges, hvis simulatorerne kan gøres større, for eksempel ved at arrangere ionerne i to-dimensionelle arrays, siger Andrea Trombettoni på University of Trieste i Italien. ”Dette vil antyde ny fysik at udforske,” siger han.