_ Anunțând nașterea lui QUIONE, un procesor cuantic analogic unic

Fizica cuantică necesită tehnici de detectare de înaltă precizie pentru a aprofunda proprietățile microscopice ale materialelor. Din procesoarele cuantice analogice care au apărut recent, microscoapele cuantice cu gaz s-au dovedit a fi instrumente puternice pentru înțelegerea sistemelor cuantice la nivel atomic. Aceste dispozitive produc imagini ale gazelor cuantice cu rezoluție foarte mare: permit detectarea atomilor individuali.

Acum, cercetătorii ICFO (Barcelona, ​​Spania) Sandra Buob, Jonatan Höschele, Dr. Vasiliy Makhalov și Dr. Antonio Rubio-Abadal, condus de profesorul ICREA la ICFO Leticia Tarruell, explică cum și-au construit propriul microscop cu gaz cuantic, numit QUIONE după zeița greacă a zăpezii. Microscopul cu gaz cuantic al grupului este singurul din lume care imaginează atomi individuali de gaze cuantice de stronțiu, precum și primul de acest gen din Spania.

Cercetarea echipei este publicată în jurnalul PRX Quantum.

Dincolo de imaginile de impact în care atomii individuali pot fi distinși, scopul QUIONE este simularea cuantică. După cum explică prof. Tarruell, „Simularea cuantică poate fi folosită pentru a transforma sisteme foarte complicate în modele mai simple pentru a înțelege întrebările deschise la care computerele actuale nu pot răspunde, cum ar fi de ce unele materiale conduc electricitatea fără pierderi chiar și la temperaturi relativ ridicate.”

Singularitatea acestui experiment constă în faptul că echipa a reușit să aducă gazul de stronțiu în regimul cuantic, să-l plaseze într-o rețea optică în care atomii ar putea interacționa prin ciocniri și apoi să aplice atomul unic. tehnici imagistice. Aceste trei ingrediente fac cu totul unic microscopul cu gaz cuantic de stronțiu al ICFO.

Până acum, aceste configurații de microscop se bazau pe atomi alcalini, cum ar fi litiul și potasiul, care au proprietăți mai simple în ceea ce privește spectrul lor optic în comparație cu cele alcaline. atomi de pământ precum stronțiul. Aceasta înseamnă că stronțiul oferă mai multe ingrediente cu care să se joace în aceste experimente.

De fapt, în ultimii ani, proprietățile unice ale stronțiului l-au făcut un element foarte popular pentru aplicații în domeniile calculului cuantic și al calculului cuantic. simulare. De exemplu, un nor de atomi de stronțiu poate fi folosit ca procesor cuantic atomic, care ar putea rezolva probleme dincolo de capacitățile computerelor clasice actuale.

Per total, cercetătorii ICFO au văzut un mare potențial pentru simularea cuantică în stronțiu și au început să-și construiască propriul microscop cuantic cu gaz. Așa s-a născut QUIONE.

În acest scop, echipa a scăzut mai întâi temperatura gazului de stronțiu. Folosind forța mai multor fascicule laser, ei au redus viteza atomilor până la un punct în care au rămas aproape nemișcați, abia mișcându-se, temperatura lor redusă la aproape zero absolut în doar câteva milisecunde. După acest punct, legile mecanicii cuantice le-au guvernat comportamentul, iar atomii au afișat noi caracteristici, cum ar fi suprapunerea și încurcarea cuantice.

După aceea, cu ajutorul unor lasere speciale, cercetătorii au activat rețeaua optică, care menține atomii aranjați într-o rețea de-a lungul spațiului.

„Vă puteți imagina ca o cutie de ouă, unde locurile individuale sunt de fapt acolo unde puneți ouăle. Dar în loc de ouă, avem atomi și, în schimb dintr-o cutie, avem rețeaua optică”, explică Buob, primul autor al articolului.

Atomii din cupa de ou au interacționat între ei, uneori experimentând un tunel cuantic pentru a se muta dintr-un loc în altul. . Această dinamică cuantică între atomi o imită pe cea a electronilor din anumite materiale. Prin urmare, studiul acestor sisteme poate arunca lumină asupra comportamentului complex al anumitor materiale, care este ideea cheie a simulării cuantice.

Cercetătorii au luat imaginile cu microscopul lor de îndată ce gazul și rețeaua optică au fost gata și au putut în sfârșit să-și observe gazul cuantic de stronțiu atom cu atom. În acest moment, construcția lui QUIONE fusese deja un succes, dar creatorii săi doreau să profite și mai mult de ea.

Astfel, pe lângă poze, au făcut videoclipuri cu atomii și au putut pentru a observa că, în timp ce atomii ar trebui să rămână nemișcați în timpul imaginii, uneori au sărit într-un loc de rețea din apropiere. Fenomenul tunelului cuantic poate explica acest lucru.

„Atomii „săreau” de la un loc la altul. A fost ceva foarte frumos de văzut, deoarece asistăm la propriu la o manifestare directă a comportamentului lor cuantic inerent. ”, spune Buob.

În cele din urmă, grupul de cercetare a folosit microscopul lor cuantic cu gaz pentru a confirma că gazul de stronțiu era un superfluid, o fază cuantică a materiei care curge fără vâscozitate.

„Am oprit brusc laserul cu rețea, astfel încât atomii să se poată extinde în spațiu și să interfereze între ei. Acest lucru a generat un model de interferență datorită dualității undă-particulă a atomilor din superfluid. Când echipamentul nostru l-a capturat, am verificat prezența superfluidității în probă”, explică dr. Rubio-Abadal.

„Este un moment foarte interesant pentru simularea cuantică”, remarcă prof. Tarruell. „Acum, că am adăugat stronțiu pe lista de microscoape cu gaz cuantice disponibile, s-ar putea să putem simula materiale mai complexe și exotice în curând. Apoi, se așteaptă să apară noi faze ale materiei. Și ne așteptăm, de asemenea, să obținem mult mai multe calcule. puterea de a folosi aceste mașini ca computere cuantice analogice.”

(Fluierul)