Квантовые системы реализуют уникальные состояния материи, происходящие из мира наноструктур. Они облегчают широкий спектр новых технологических приложений, e.грамм. способствуя безопасному шифрованию данных, внедряя все меньшие и более быстрые технические устройства и даже позволяя разработать квантовый компьютер. В будущем такой компьютер сможет решать проблемы, которые обычные компьютеры не могут решить вообще или только в течение длительного периода времени.
Как возникают необычные квантовые явления, еще далеко не до конца понятно.
Чтобы пролить свет на это, группа физиков во главе с проф. Майкл Коль из кластера передового опыта в области квантовых вычислений «Материя и свет» Боннского университета использует так называемые квантовые симуляторы, которые имитируют взаимодействие нескольких квантовых частиц, что невозможно сделать с помощью обычных методов. Даже современные компьютерные модели не могут рассчитывать сложные процессы, такие как магнетизм и электричество, с точностью до мельчайших деталей.
Ультрахолодные атомы имитируют твердые тела
Имитатор, используемый учеными, состоит из ультрахолодных атомов – ультрахолодных, потому что их температура составляет всего одну миллионную градуса выше абсолютного нуля. Атомы охлаждаются с помощью лазеров и магнитных полей. Атомы расположены в оптических решетках, i.е. стоячие волны, образованные наложением лазерных лучей.
Таким образом, атомы моделируют поведение электронов в твердом состоянии. Экспериментальная установка позволяет ученым проводить широкий спектр экспериментов без внешних модификаций.
В рамках квантового симулятора ученым впервые удалось измерить магнитные корреляции ровно двух связанных слоев кристаллической решетки. «Благодаря силе этой связи мы смогли повернуть направление, в котором формируется магнетизм, на 90 градусов – без какого-либо другого изменения материала», – говорят первые авторы Никола Вурц и Марселл Галл, докторанты исследовательской группы Майкла Коля. объяснять.
Для изучения распределения атомов в оптической решетке физики использовали микроскоп высокого разрешения, с помощью которого они смогли измерить магнитные корреляции между отдельными слоями решетки.
Таким образом они исследовали магнитный порядок, i.е. взаимное выравнивание атомных магнитных моментов в смоделированном твердом состоянии. Они заметили, что магнитный порядок между слоями конкурирует с исходным порядком внутри одного слоя, и пришли к выводу, что чем сильнее слои связаны, тем сильнее корреляции между слоями. В то же время корреляции внутри отдельных слоев были уменьшены.
Новые результаты позволяют лучше понять распространение магнетизма в системах связанных слоев на микроскопическом уровне.
В будущем результаты должны помочь делать прогнозы о свойствах материалов и достигать новых функциональных возможностей твердых тел, среди прочего. Так как, например, высокотемпературная сверхпроводимость тесно связана с магнитными связями, новые открытия могут в долгосрочной перспективе способствовать развитию новых технологий, основанных на таких сверхпроводниках.
Кластер передового опыта The Matter and Light for Quantum Computing (ML4Q)
Кластер передового опыта «Материя и свет для квантовых вычислений» (ML4Q) – это исследовательское сотрудничество университетов Кельна, Аахена и Бонна, а также Forschungszentrum Julich. Он финансируется в рамках Стратегии совершенства федерального правительства и правительства земель Германии. Целью ML4Q является разработка новых вычислительных и сетевых архитектур с использованием принципов квантовой механики.
ML4Q основывается и расширяет дополнительные знания в трех ключевых областях исследований: физика твердого тела, квантовая оптика и квантовая информатика.
Кластер передового опыта встроен в область трансдисциплинарных исследований «Строительные блоки материи и фундаментальных взаимодействий» Боннского университета.
В шести различных TRA ученые из самых разных факультетов и дисциплин собираются вместе, чтобы работать над актуальными в будущем темами исследований.