I fisici hanno sviluppato un metodo di simulazione quantistica in grado di "raffreddare virtualmente" un sistema quantistico sperimentale a una frazione della sua temperatura effettiva. Il metodo potrebbe potenzialmente consentire l'accesso a fenomeni di temperatura estremamente bassa, come forme insolite di superconduttività, che non sono mai stati osservati prima. La simulazione prevede la preparazione di più copie dello stato quantistico del sistema, interferire con gli stati, e fare misurazioni su ogni copia, che alla fine produce una misurazione simulata sullo stesso sistema a una temperatura inferiore.

Il team di fisici, Jordan Cotler della Stanford University e coautori, ha pubblicato un articolo sul metodo di raffreddamento virtuale quantistico in un recente numero di Revisione fisica X .

Come hanno spiegato i ricercatori, i risultati si basano sull'idea che esiste una forte connessione tra la temperatura e l'entanglement quantistico.

"Una prospettiva moderna in fisica è che la temperatura è una proprietà emergente dell'entanglement quantistico, "Cotler ha detto Phys.org . "In altre parole, alcuni modelli di entanglement quantistico danno origine alla nozione familiare di temperatura. Manipolando intenzionalmente il modello di entanglement in un sistema, possiamo accedere a temperature più basse. Mentre queste straordinarie idee erano precedentemente comprese teoricamente, abbiamo capito come implementarli sperimentalmente."

Le future realizzazioni sperimentali della tecnica di raffreddamento virtuale potrebbero consentire ai ricercatori di misurare la temperatura in modi apparentemente impossibili.

"Potremmo essere in grado di utilizzare il raffreddamento virtuale quantistico per "attraversare" quelle che vengono chiamate transizioni di fase a temperatura finita, " Ha detto Cotler. "Questo sembra abbastanza bizzarro:sarebbe come prendere due bicchieri di acqua liquida, e facendo una misura quantistica, impari le proprietà del ghiaccio solido. Sorprendentemente, questo sembra possibile in linea di principio, ma in pratica dobbiamo utilizzare sistemi più facili da controllare rispetto all'acqua. Ciò nonostante, potremmo ancora essere in grado di preparare un sistema in una fase, e utilizzare il raffreddamento virtuale quantistico per sondare una fase diversa che si verifica solo a una temperatura più bassa".

Come funziona

Il metodo di raffreddamento virtuale è progettato per funzionare su un tipo di sistema chiamato sistema quantistico a molti corpi fortemente correlato. Un esempio di tale sistema è un sistema di atomi ultrafreddi intrappolati da una griglia di laser chiamata "reticolo ottico". Gli atomi possono saltare da un punto della griglia all'altro e interagire tra loro. Si prevede teoricamente che sistemi quantistici a molti corpi fortemente correlati come gli atomi intrappolati nell'ultrafreddo rivelino un comportamento interessante a temperature ultrafredde. Sfortunatamente, molti dei fenomeni di bassa temperatura previsti non sono mai stati osservati a causa della difficoltà di raffreddamento a temperature così basse.

Un approccio al raffreddamento sviluppato di recente consiste nell'utilizzare un simulatore quantistico, un sistema fisico costituito da atomi, fotoni, punti quantici, o qualche altro oggetto fisico, che viene utilizzato per modellare un altro sistema fisico che non è altrettanto ben compreso. Nel simulatore quantistico introdotto nel nuovo articolo, gli atomi a una temperatura accessibile sono usati per modellare gli atomi a una temperatura più fredda, temperatura tradizionalmente inaccessibile. In altre parole, un sistema quantistico viene utilizzato per simulare un sottoinsieme di se stesso a una temperatura inferiore. A causa delle loro proprietà quantistiche, i simulatori quantistici possono eseguire determinati compiti come questo che sono fuori dalla portata dei computer classici, che non può sfruttare l'entanglement quantistico e la sovrapposizione.

Una delle cose chiave del nuovo simulatore è che non è affatto coinvolto un raffreddamento fisico effettivo. Anziché, il raffreddamento virtuale si ottiene interferendo molti atomi, misurare quegli atomi, e quindi elaborare i dati di misurazione. Dimostrare, i fisici usarono il metodo per simulare misurazioni della densità degli atomi in quello che viene chiamato un "Modello di Bose-Hubbard, " che specifica alcuni tipi di interazioni tra gli atomi. La procedura di base prevede la preparazione di due o più copie identiche dello stato quantistico a molti atomi in diverse posizioni fisiche (qui, reticoli ottici). Quindi viene indotto il tunneling quantistico tra le copie, che consente l'interferenza atomica tra loro. Finalmente, il numero di atomi che occupano ciascun sito è misurato per ogni sito reticolare, che viene fatto utilizzando un microscopio a gas quantistico.

Dopo aver ripetuto più volte la procedura alla temperatura effettiva, e poi facendo la media, il metodo fornisce la densità locale degli atomi a una temperatura ridotta di T / n , dove T è la temperatura effettiva del sistema e n è il numero di copie utilizzate. Nella dimostrazione iniziale, i ricercatori hanno utilizzato due copie, che ha consentito l'accesso al sistema a metà della sua temperatura originale. Questi risultati sperimentali corrispondevano strettamente alle previsioni teoriche.

Mentre il metodo consente teoricamente al sistema di essere virtualmente raffreddato fino al suo stato fondamentale, cioè., lo stato di temperatura zero, in pratica la quantità di raffreddamento è limitata dalle difficoltà di ridimensionamento legate alla misurazione di più copie del sistema con una precisione sufficientemente elevata. Ancora, a causa del fatto che non è coinvolto il raffreddamento fisico, i ricercatori si aspettano che il metodo di simulazione possa essere utilizzato per ridurre virtualmente la temperatura di un sistema quantistico dopo che sono stati utilizzati tutti i metodi di raffreddamento fisico, quindi potrebbe fornire un raffreddamento aggiuntivo per qualsiasi altro metodo.

Fantastici piani per il futuro

Nel futuro, i fisici intendono estendere ulteriormente l'approccio per estendere il raffreddamento virtuale quantistico per misurare proprietà più complicate. Mentre l'attuale configurazione è stata progettata per misurare solo la densità atomica a basse temperature, i fisici hanno sviluppato un approccio di raffreddamento alternativo per misurare altre proprietà. Questo approccio utilizza i qubit in un circuito quantistico, simili ai protocolli di purificazione dell'entanglement.

I ricercatori sperano anche di applicare il raffreddamento virtuale quantistico per studiare i fenomeni a bassa temperatura come la superconduttività dell'onda d, un tipo di superconduttività ad alta temperatura, che non è così ben compreso come la superconduttività a bassa temperatura.

"Per quanto riguarda la superconduttività dell'onda d, sarebbe interessante osservarla come una fase a bassa temperatura del modello di Fermion-Hubbard, che può essere realizzato sperimentalmente in laboratorio, " disse Cotler. "Ecco, Il "modello Fermion-Hubbard" è il gergo della fisica per un sistema con tipi specifici di interazioni, e con particelle costituenti che sono fermioni (di cui gli elettroni sono un esempio ben noto).

"Potresti chiedere, perché questo particolare insieme di interazioni è interessante, e perché ci interessa l'osservazione di una fase superconduttiva di onde d a basse temperature? Ci sono diversi motivi. Uno è che il modello di Fermion-Hubbard è un bel sistema da un punto di vista teorico, e può fornire intuizioni in sistemi più complicati che osserviamo in natura, o vuoi fare l'ingegnere.

"Però, è difficile capire la superconduttività a bassa temperatura nel sistema:le equazioni sono troppo difficili, e simulare il sistema su un computer è quasi impossibile, anche se abbiamo un supercomputer. Un approccio è simulare il modello di Fermion-Hubbard su un computer quantistico, ma non ne abbiamo ancora uno che possa farlo. Anziché, possiamo costruire un modello Fermion-Hubbard in laboratorio, ed esplora le sue proprietà a bassa temperatura raffreddandolo. In altre parole, non abbiamo bisogno di un computer quantistico perché stiamo effettivamente costruendo il sistema desiderato in laboratorio. Ma ora il problema è in realtà il raffreddamento del sistema sperimentale a temperature abbastanza basse da poter vedere una fase superconduttiva. Questo è attualmente fuori portata, ma sembra che il raffreddamento virtuale quantistico possa aiutare".

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