Výzkumníci se snaží proměnit diamant v kvantový simulátor

Diamanty jsou často ceněny pro svou bezchybnou brilanci, ale Zhong Zhou, odborný asistent fyziky na Washingtonské univerzitě v Arts & Sciences v St. Louis, vidí v těchto přírodních krystalech hlubší hodnotu. Jak je uvedeno v Fyzické kontrolní dopisyZu a jeho tým udělali velký krok kupředu ve své snaze přeměnit diamant na kvantový simulátor.

Mezi spoluautory tohoto článku patří Kater Murtsch, profesor fyziky Charles M. Hohenberg a Ph.D. Studenti Guanghui He, Ruotian (Reginald) Gong a Zhongyuan Liu. Jejich práce je částečně podporována Centrem pro kvantové skoky, což je podpisová iniciativa Strategického plánu pro umění a vědy, jejímž cílem je aplikovat kvantové poznatky a technologie ve fyzice, biomedicíně a biologických vědách, objevování léků a dalších dalekosáhlých oblastech.

Výzkumníci transformovali diamanty bombardováním atomy dusíku. Některé z těchto atomů dusíku vytlačují atomy uhlíku a vytvářejí defekty v dokonalém krystalu. Výsledné díry jsou vyplněny elektrony, které mají svůj vlastní spin a magnetismus, kvantové vlastnosti, které lze měřit a manipulovat s nimi pro širokou škálu aplikací.

Jak Zhou a jeho tým dříve odhalili studiem boru, je možné použít takové defekty, jako jsou kvantové senzory, které reagují na své prostředí a na sebe navzájem. V nové studii se vědci zaměřili na další možnost: použití nedokonalých krystalů ke studiu neuvěřitelně složitého kvantového světa.

Klasické počítače (včetně moderních superpočítačů) jsou nedostatečné k simulaci kvantových systémů, dokonce i těch s více než deseti kvantovými částicemi. Je to proto, že rozměry kvantového prostoru rostou exponenciálně s každou přidanou částicí. Nová studie ale ukazuje, že je možné přímo simulovat komplexní kvantovou dynamiku pomocí řiditelného kvantového systému.

„Pečlivě jsme navrhli náš kvantový systém, abychom vytvořili simulační program a nechali jej běžet,“ řekl Zhou. „Nakonec vidíme výsledky. Je to něco, co je téměř nemožné vyřešit klasickým počítačem.“

Pokrok týmu v této oblasti umožní studium některých z nejzajímavějších aspektů kvantové fyziky mnoha těles, včetně realizace nových fází hmoty a předpovídání vznikajících jevů ze složitých kvantových systémů.

V nejnovější studii Zhou a jeho tým dokázali udržet svůj systém stabilní až 10 milisekund, což je v kvantovém světě dlouhá doba. Je pozoruhodné, že na rozdíl od jiných kvantových simulačních systémů, které pracují při extrémně nízkých teplotách, jeho systém založený na diamantu funguje při pokojové teplotě.

Jedním z klíčů k udržení kvantového systému neporušeného je zabránit tepelnému zpracování, což je bod, ve kterém systém absorbuje tolik energie, že všechny defekty ztratí své jedinečné kvantové vlastnosti a nakonec vypadají identicky. Tým zjistil, že mohou tento výsledek oddálit spuštěním systému tak rychle, že neměl čas absorbovat energii. To ponechává systém v relativně stabilním stavu „tepelné předúpravy“.

Nový systém založený na diamantu umožňuje fyzikům studovat interakce více kvantových oblastí současně. Otevírá také možnost stále citlivějších kvantových senzorů. „Čím déle kvantový systém žije, tím citlivější se stává,“ řekl Zhou.

Zhou a jeho tým v současné době spolupracují s dalšími vědci z Washoe v Centru pro kvantové skoky, aby získali nové poznatky napříč obory. V Arts & Sciences Zu spolupracuje s Erikem Henriksenem, docentem fyziky, na zlepšení výkonu senzoru. Plánuje také použít tyto senzory k lepšímu pochopení kvantových materiálů vytvořených v laboratoři Xing Ran, asistenta profesora fyziky.

Spolupracuje také s Philipem Skimmerem, profesorem věd o Zemi, životním prostředí a planetárních vědách, aby získali pohled na magnetická pole ve vzorcích hornin na atomové úrovni. a se Shankarem Mukherjeem, odborným asistentem fyziky, k zobrazení termodynamiky v živých biologických buňkách.