Ridberg-atomien simulointi paljasti kvanttientropian piilevät ominaisuudet.
Sveitsin liittovaltion polyteknisen korkeakoulun (EPFL) tutkijat esittelivät uuden tavan kvanttisten järjestelmien topologisen mallintamiseen. Heidän tutkimuksensa on julkaistu Nature Physics -lehdessä.
Topologiset kvanttijärjestelmät eroavat siitä, että niiden ominaisuudet eivät riipu paikallisista vuorovaikutuksista ja mikroskooppisesta rakenteesta, vaan verkon yleisestä kytkeytyvyydestä. Tämä tekee niiden kehityksen ajan myötä ja kauaskantoiset kvanttikorrelaatiot erittäin vaikeiksi ennustaa.
Tutkijat kiinnittivät erityistä huomiota kvanttispin-nesteisiin – aineen tiloihin, joissa hiukkasten spinit eivät järjesty edes hyvin alhaisissa lämpötiloissa. Tällaiset tilat herättävät fyysikoiden kiinnostusta, koska ne liittyvät eksoottisiin ilmiöihin ja potentiaalisiin sovelluksiin kvanttilaskennassa.
Aikaisemmissa kokeissa, erityisesti Semeghinin ja hänen kollegoidensa vuonna 2021 tekemässä tutkimuksessa, spin-nestettä voitiin ensimmäistä kertaa havaita laboratoriossa. Kuitenkin standardit numeeriset menetelmät, joita käytettiin kokeiden analysointiin Ridberg-atomien alustoilla, eivät ottaneet huomioon useita laitteiston erityispiirteitä ja saattoivat antaa virheellisiä vertailutuloksia.
EPFL:n ryhmä sovelsi lähestymistapaa, joka perustuu kvanttitilan parametrisointiin. Sen sijaan, että laskivat kaikkien mahdollisten konfiguraatioiden todennäköisyydet (ja N spinien järjestelmässä niiden lukumäärä on 2^N), tutkijat koodasivat aaltofunktion pienellä määrällä parametreja, jotka heijastavat suoraan korrelaatioita.
Keskeisenä työkaluna käytettiin t-VMC (temporary variation Monte Carlo) -menetelmää, joka mahdollistaa kvanttitilan kehityksen mallintamisen ajassa ilman järjestelmän koon tai hilan muodon aiheuttamia yksinkertaistuksia.
Uusi menetelmä mahdollisti protokollan mallintamisen Ridbergin simulaattorilla mahdollisimman lähellä kokeita ja samalla laskelmien skaalaamisen suuriin järjestelmiin. Tämä mahdollisti laskea indikaattoreita, jotka eivät ole saatavilla todellisissa kokeissa, kuten topologisen entropian. Se auttaa erottamaan todellisen topologisen tilan satunnaisesta kvanttitilasta.
Tekijöiden mukaan heidän strategiaansa voivat käyttää myös muut ryhmät spin-nesteiden dynamiikan ja muiden topologisten tilojen tutkimiseen.
EPFL:n tiimi aikoo nyt laajentaa tekniikkaa uusien kvanttilaitteiden ja protokollien simulointiin, mikä voi lähentää kvanttijärjestelmien perusominaisuuksien ymmärtämistä ja avata tien uusille sovelluksille kvanttiteknologiassa.
