Lausannen polyteknisen korkeakoulun eli EPFL:n (Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne) tutkijat ehdottavat uutta kvanttisimulaattoria. Kyse on laserpohjaisesta laitteesta, jota voidaan käyttää monien kvanttijärjestelmien tutkimiseen. Siinä fotonit voivat käyttäytyä kuin magneettiset dipolit absoluuttisen nollan lähellä olevissa lämpötiloissa, jossa ne seuraavat kvanttimekaniikan lakeja.
Kvanttimekaniikan lakien alaisuudessa monista vuorovaikutteisista hiukkasista tehdyt järjestelmät voivat esittää niin monimutkaisia käyttäytymismalleja, että sen kvantitatiivinen kuvaus on maailman tehokkaimpien tietokoneiden ominaisuuksien ulottumattomissa.
Vuonna 1981 visionääri fyysikko Richard Feynman väitti, että voimme simuloida tällaista monimutkaista käyttäytymistä hyödyntämällä keinotekoista laitetta, jota ohjaavat kvanttimekaniikan. Tällaista laitetta voisi kutsua "kvanttisimulaattoriksi".
Eräs esimerkki monimutkaisesta kvanttijärjestelmästä on se, että magneetit sijoitetaan todella mataliin lämpötiloihin. Lähes absoluuttinen nollapisteessä (-273,15 °C) magneettiset materiaalit voivat käydä läpi niin kutsutun "kvanttifaasimuunnoksen".
Kuten tavanomainen faasimuutos, järjestelmä siirtyy kahden tilan välillä. Erona on, että kvanttifaasimuunnoksessa siirtymäpisteen lähellä oleva järjestelmässä tapahtuu kvanttilomittumista. Tämän ilmiön tutkiminen todellisissa materiaaleissa on kokeilevalle fysiikalle erittäin haastava tehtävä.
EPFL:ssä Vincenzo Savonan johtamat fyysikot ovat nyt keksineet kvantti-simulaattorin, joka lupaa ratkaista ongelman. - Simulaattori on yksinkertainen fotoninen laite, joka voidaan helposti rakentaa ja käyttää nykyisillä kokeilutekniikoilla, kertoo tutkimusta johtanut Riconardo Rota, joka toimii Savonan laboratorion johtajana.
Simulaattori voidaan rakentaa suprajohtavien piirien avulla. Sen piirit on kytketty laserkenttiin siten, että aiheutetaan tehokas vuorovaikutus fotonien välillä.
- Kun tutkimme simulaattoria, havaitsimme, että fotonit käyttäytyivät samalla tavalla kuin magneettiset dipolit todellisissa materiaaleissa tapahtuvassa kvanttifaasimuutoksessa, Rota toteaa. Eli fotoneja voi käyttää virtuaaliseen kvanttimagneettien kokeiluun sen sijaan, että rakentaisimme itse kokeilunasetelman.
- Me kehittelimme tämän kvanttisimulaattorin ajatuksen ja mallinsimme sen käyttäytymisen perinteisillä tietokoneilla tapahtuvilla simuloinneilla, jotka voidaan tehdä, kun kvanttisimulaattori käsittelee riittävän pientä järjestelmää. Tuloksemme osoittavat, että ehdotettu kvanttisimulaattori on elinkelpoinen, ja olemme nyt keskustelemassa kokeellisten ryhmien kanssa, jotka haluaisivat todella rakentaa ja käyttää sitä, Rota kertoo.
Simulaattoria voidaan soveltaa laajaan luokkaan kvanttijärjestelmissä, jolloin fyysikot voivat tutkia useita monimutkaisia kvantti-ilmiöitä. Se on todella merkittävä edistysaskel kvanttiteknologioiden kehittämisessä, toteavat tutkijat yliopistonsa tiedotteessa.
Veijo Hänninen
Nanobittejä 29.3.2019
