|
Скручивание атомов сквозь пространство и время
|
|
|
|
Одно из самых захватывающих применений квантовых компьютеров будет заключаться в том, чтобы направить их взгляд внутрь, на те самые квантовые правила, которые заставляют их работать. Квантовые компьютеры можно использовать для моделирования самой квантовой физики и, возможно, даже для исследования областей, которых нет нигде в природе. Но даже при отсутствии полнофункционального крупномасштабного квантового компьютера физики могут использовать квантовую систему, которую они могут легко контролировать, для имитации более сложной или менее доступной системы. Ультрахолодные атомы — атомы, охлажденные до температуры чуть выше абсолютного нуля — являются ведущей платформой для квантового моделирования. Этими атомами можно управлять с помощью лазерных лучей и магнитных полей, а также заставить их исполнять квантовый танец, поставленный экспериментатором. Также довольно легко заглянуть в их квантовую природу, используя изображения с высоким разрешением для извлечения информации после или во время выполнения ими своих шагов.
|
|
|
|
Теперь исследователи из JQI и Института надежного квантового моделирования (RQS) NSF Quantum Leap Challenge под руководством бывшего научного сотрудника JQI Мингву Лу и аспиранта Грэма Рида научили свои ультрахолодные атомы танцевать новый танец, пополняя растущий набор инструментов. квантового моделирования. В паре исследований они деформировали свои атомы, накрутив их квантово-механические вращения в пространстве и времени, прежде чем связать их, чтобы создать своего рода пространственно-временной квантовый крендель.
|
|
|
Они наметили изогнутую форму пространства-времени, которую они создали, и сообщили о своих результатах в статье под названием «Топологические полосы Дирака Floquet Engineering» в журнале Physical Review Letters прошлым летом. В последующем эксперименте они наблюдали, как их атомы переходили между различными формами обмотки, и обнаружили богатую структуру, недоступную для простых неподвижных атомов. Они опубликовали этот результат под названием «Динамически индуцированное нарушение симметрии и неравновесная топология в одномерной квантовой системе» в журнале Physical Review Letters в сентябре.
|
|
|
|
Изученные ими обмотки относятся к математической области топологии — классификации объектов по количеству отверстий в них. Пончики топологически идентичны хула-хупу и кофейным кружкам, поскольку у каждой из них есть одно сквозное отверстие. Но пончики отличаются от оправ для очков с двумя отверстиями или кренделей с тремя отверстиями.
|
|
|
|
Эта обманчиво простая классификация форм оказалась на удивление эффективной в физике. Он объяснил такие вещи, как квантовый эффект Холла, который создает точно воспроизводимое электрическое сопротивление, используемое для определения стандарта сопротивления, и топологические изоляторы, которые однажды могут стать компонентами надежных квантовых компьютеров.
|
|
|
|
В физических условиях — будь то твердые куски металла или ультрахолодные атомы — топология, которая волнует физиков, на самом деле не связана с формой реального материала. Скорее, это форма, которую принимают квантовые волны, распространяющиеся внутри материала. Часто физики обращают внимание на неотъемлемое свойство квантовых частиц, называемое вращением, и на то, как оно закручивается, когда частица ускоряется или замедляется внутри твердого куска.
|
|
|
|
Большинство твердых тел представляют собой кристаллы, состоящие из регулярной сетки, идущей во всех направлениях в виде повторяющегося узора из равноотстоящих друг от друга атомов. Для свободно плавающих электронов внутри этой сетки прыжки от одного атома к другому, идентичному атому, не имеют значения — ландшафт остается таким же, насколько может видеть глаз. Похожая сетка появляется в ландшафте скоростей электронов — все может измениться, когда электрон начнет ускоряться, но при определенных скоростях ландшафт будет выглядеть так же, как если бы он вообще не двигался.
|
|
|
|
Но положение и скорость — это только два свойства электрона. Другое дело спин. Спин может вести себя несколько независимо при изменении положения и скорости, но когда положение смещается на одно место или скорость смещается на одно «место» скорости, спин должен оставаться неизменным — еще одно отражение симметрии, присутствующей в кристалле. Но между двумя сайтами или двумя скоростными «сайтами» может быть что угодно. Форма изгиба, которую изгибает вращение, прежде чем вернуться в исходное положение, определяет топологию.
|
|
|
|
В мире квантового моделирования ультрахолодные атомы могут эмулировать электроны в кристалле. Роль кристалла играют лазеры, создающие повторяющийся световой узор для заселения ультрахолодных атомов. Точно так же расположение и скорость атомов приобретают повторяющийся паттерн, а атомные спины повторяют формы, определяющие топологию.
|
|
|
|
В своем эксперименте с намоткой Лу и его коллеги из лаборатории изобрели двумерный кристалл, но не в двух измерениях обычного листа бумаги. Одно из измерений было в пространстве, как направление по тонкой нити, а другое было во времени. На этом листе, состоящем из пространства и времени, вращение их атомов приняло любопытную форму в зависимости от скорости атомов в пространственно-временном кристалле.
|
|
|
|
«Топология определяется на поверхностях», — говорит научный сотрудник JQI Ян Спилман, главный исследователь исследования и заместитель директора по исследованиям в RQS. «Одним из измерений, определяющих поверхность, может быть время. Это было известно теоретически, но только сейчас проверяется экспериментально».
|
|
|
|
Чтобы создать поверхность, которая будет вращаться как в пространстве, так и во времени, исследователи направили лазеры с двух направлений и радиочастотное магнитное поле сверху на свое облако ультрахолодных атомов. Лазеры и магнитное поле объединились, чтобы создать области с более высокой и более низкой энергией, от которых атомы отталкивались или притягивались, как картонная коробка для яиц, внутри которой живут атомы. У этой коробки была своеобразная форма: вместо двух рядов прорезей, как в обычной дюжине, которую вы найдете в продуктовом магазине, был только один ряд. И каждый слот коробки состоял из двух дополнительных слотов (см. рисунок ниже). Это привело к повторяющемуся кристаллическому узору вдоль линии в пространстве.
|
|
|
|
Настраивая, как лазеры и магнитные поля выровнены друг с другом, команда могла сместить весь рисунок в сторону на один дополнительный слот. Но они не просто переключили его один раз. Они ритмично встряхивали коробку из-под яиц между собой. Это ритмичное сотрясение создавало повторяющийся во времени узор, подобный повторяющемуся пространственному узору ядер в кристалле.
|
|
|
|
Для этого они должны были убедиться, что их коробка для лазерных яиц, а также синхронизация стробоскопа были правильными. «Сложнее всего было правильно выбрать время», — говорит Грэм Рид, аспирант по физике и один из авторов работы. «Этот эксперимент действительно основан на очень точном времени вещей, которые вы не знаете априори, поэтому вам просто нужно много настроить».
|
|
|
|
Однако после тщательной настройки они экспериментально изобразили вращение атомов в этом пространственно-временном кристалле. Они наметили виток вращения, когда оно пересекало время и пространство на обратном пути к тому месту, где оно началось. Таким образом, они напрямую измерили построенную ими топологию обмотки.
|
|
|
|
В продолжение этой работы они использовали тот же лазерный образец для проведения совершенно другого эксперимента, связанного с топологией. Вместо того, чтобы рассматривать топологию в пространстве и времени, они сосредоточились только на пространственном измерении. На этот раз они подготовили свои атомы по-разному: все вращались вниз, все вращались вверх или смешивались.
|
|
|
|
Это не были естественные, удобные состояния для атомов в созданном ими лазерном образце, и в конце концов атомы устанавливались в свои более естественные состояния — состояния равновесия. Но попутно исследователи смогли зафиксировать стоп-кадр нескольких различных топологических форм — некоторые из них никогда не возникали, кроме как на мгновение. Эти результаты раскрыли новые тайны, которые исследователи стремятся исследовать.
|
|
|
|
«Есть два важных вопроса, на которые, я думаю, было бы здорово ответить, — говорит Спилман. «Во-первых, результат пространственно-временной топологии действительно работал только в точно настроенном времени. Интересно, есть ли способ сделать это надежным. Во-вторых, для неравновесной топологии мне интересно посмотреть, что произойдет. когда мы быстро переключаемся между более широким разнообразием топологических состояний».
|
|
|
|
Помимо Спилмана, который также является научным сотрудником Национального института стандартов и технологий, Рейда и Лу, который сейчас работает в Atom Computing, среди авторов документов был Амилсон Фрич, бывший постдокторант JQI, ныне работающий в Университете США. Сан-Паулу Сан-Карлос и Алина Пиньейро, аспирантка факультета физики JQI.
|
|
|
|
Источник
|
