物理科学

格子,时钟和显微镜:下一代量子模拟器

了解许多交互量子粒子的系统仍然是物理学中的大挑战之一。模拟超级计算机上的这种系统对于多种颗粒是不可能的,但基于量子模拟器的有前途的方法是在地平线上。
Sebastian Blatt博士在Max-Planck-Countsitute和他们的合作者中,通过将截断原子的有序阵列与世界上最好的原子钟和尖端显微镜组合来扩展量子模拟器的能力,使得延长量子模拟器的能力。

量子多体问题是物理学中最臭名昭著的挑战之一:如果三个或更多的粒子根据量子力学定律相互作用,预测它们的行为会很快变得过于复杂而难以处理。造成这种复杂性的主要原因是量子纠缠原理,通过量子纠缠原理,一个粒子的命运可以与系统中的任何其他粒子内在地联系在一起,即使它们相隔很远。

当涉及处理涉及缠结的复杂系统时,古典计算机有限。国王顾问的东方故事说明了这些限制,要求国王在稻粒中支付他。他要求国王在棋盘的第一个平方上放置一粒米饭,并通过将每个连续广场的谷物数倍加倍,直到棋盘饱满。国王很快发现了他不可能支付账单。即使在今天,它也需要数百年的地球生产足够的大米来支付顾问 - 一个经典的指标问题的典范。量子粒子的古典计算机模拟具有相同的问题,因为向模拟中添加额外量子粒子需要加倍计算机存储器的量。甚至最先进的超级计算机即使是最先进的超级计算机也无法对多种量子粒子的精确模拟不可能进行精确模拟。

Richard Feynman在几乎四十年前提出了这种困境的方式:如果有一个受良好控制的量子多体系,可以使用它来模拟其他量子的数量,可能是不可能依赖学习的。从本质上讲,Feynman认为,在古典计算机上模拟一个比模拟一个比模拟一个票象棋队可​​能更容易。对于今天的实验物理学家,Feynman的坚定技术挑战是在清洁和精确控制的条件下创建,隔离和操纵量子多体系。在他们的实验室中,Blatt和他的同事博士使用先进技术的组合来实现这样的系统。

光的格子
BLATT的棋盘博士是一种由激光束产生的光图案,并且在电路板上移动的棋子是超级中性锶原子。如果镜子将激光束反射回其自身,则光将形成稳定的干涉图案,其强度更高,更低,称为光学晶格。这种光学晶格的高强度区域形成规则间隔的阵列,并且在这些区域中,可以放置中性原子,就像棋盘上的碎片一样。

被困在光学晶格中的原子可以在相邻的位置之间隧道,并与同一位置上的其他原子相互作用。这种排列方式自然模拟了电子在真实晶体中的行为。规则间隔的光学晶格模拟了晶体中离子的有序模式,而原子模拟了电子从一个离子跳到另一个离子。然而,由于原子可以被精确控制,而且由于光学晶格没有缺陷,人们可以使用光学晶格中的原子来做固态物理基础模型的量子模拟。

BLATT的团队博士开发了光学格子,其中锶原子的地位可以自由移动,而兴奋状态紧密捕获。图像信用:1月Gryune

在过去的几年里,Blatt博士的团队已经开发并展示了一种基于高质量光学谐振器来增加这种光学格子尺寸的新方法。通过这些谐振器,该团队能够增加光学格的大小,从而增加它们量子模拟棋盘上可用的正方数。

世界上最好的原子钟
Blatt的团队博士用锶原子加载他们的光学格子来利用它们的独特功能,与最外面电子的“状态”相关。该电子可以处于其“地面”状态,其具有最低的能量,或者在其第一“激发的”状态下,其具有比地状态更高的能量。地面和激励状态通过转换连接,其频率对应于状态之间的能量差。

他们的大型光学格子将允许Blatt博士的团队模拟许多人工量子发射器之间的强光子相互作用。

对于锶原子来说,这种跃迁异常狭窄,使得物理学家能够以极高的精度确定其值。此外,研究人员可以利用这种转变,利用精确定义频率的“时钟”激光器,有意地将锶原子从基态提升到激发态。这使得锶原子成为目前最好的原子钟的基础;它们非常精确,即使它们在宇宙诞生之初就开始运行,它们仍能在一秒内显示出正确的时间。在他们的工作中,Blatt博士的团队利用了这种技术,使他们能够控制和修改光学晶格中每个锶原子的量子态。

最近,该团队已经证明了特殊的光学晶格,其中锶原子的地位可以自由移动,而激发状态紧密陷入晶格的部位。以这种方式,他们可以根据原子的状态实现不同的运动规则。在国际象棋类比中,地面州原子可以像女王一样自由移动,而兴奋的状态原子比国王更受约束。

量子气体显微镜
随着大型棋盘的发展和不同棋子的不同运动规则,Blatt的团队博士在基于控制单个原子的基础上开始使用新型量子模拟。Targeting individual atoms in the optical lattice with the clock laser is made possible by a state-of-the-art quantum gas microscope working at the limit of optical resolution, a technology pioneered by Prof Bloch’s group at the Max-Planck-Institute over the last decade. With this technology, it is possible to apply a clock laser beam to an excited-state atom, which can then be converted to a freely moving ground-state atom. This atom can be viewed as a freely travelling photon, and a tightly trapped excited state atom can be viewed as a photon stored in a quantum emitter.

DMITRIY RYBIN / SHUTTESTOCK.com

模拟强相互作用的发射器
他们的大型光学格子将允许Blatt博士团队在许多这样的量子发射器之间清洁地模拟强烈的光子相互作用。这种情况代表了量子光学元件的一个基础问题,但在真实系统中非常困难。量子仿真的优点是,随时可以改变一切:发射器之间的间隔,它们的相互作用的强度以及行驶光子的运动规则。通过使用用于量子模拟的锶原子的不同同位素,即使可以改变行驶光子的基本特征。他们可以完全不能互相注意到,就像真正的光子一样。但是,也可以允许它们碰撞,并且它们也可以修改它们的量子统计特征。这样的实验将实现超出量子光学领域所研究的新物理系统。

Blatt的新量子比赛博士将在更大的董事会上用新件播放。他相信他的团队的工作将创造许多研究材料科学和量子化学问题的机会,同时有助于创造下一代锶原子钟。

个人反应

通过量子模拟可以使一些最令人兴奋的潜在发现是什么?

我会将今天的Quantum Simulator与模拟计算机进行比较,这些计算机在数字计算机之前,我们全部在我们的口袋里携带。这些模拟计算机是定制的,旨在有效地解决重要的实际问题,例如导航和航空航天设计。但是,Quantum模拟器是不同的,因为它们直接使用由量子力学方程所控制的粒子。没有经典的计算机,模拟或数字,可以模拟产生的动态超过几个量子。因此,这些设备不是我们当前计算机器的更快或更好的版本。相反,他们让我们直接探索许多身体量子力学的领域,代表计算的真正范式变化。

此功能文章是通过批准的研究团队特色而创建的。这是一个协作的生产,由特色辅助,全球分销提供支持。

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