Die Forschung mit einem Quantencomputer als physikalische Plattform für Quantenexperimente hat einen Weg gefunden, maßgeschneiderte magnetische Objekte mithilfe von Quantenbits oder Qubits zu entwerfen und zu charakterisieren. Das eröffnet einen neuen Ansatz, um neue Materialien und robustes Quantencomputing zu entwickeln.
„Mit Hilfe eines Quantenglühers haben wir einen neuen Weg demonstriert, magnetische Zustände zu strukturieren“, sagte Alejandro Lopez-Bezanilla, ein virtueller Experimentator in der theoretischen Abteilung des Los Alamos National Laboratory. Lopez-Bezanilla ist der korrespondierende Autor eines Artikels über die Forschung in Wissenschaftliche Fortschritte.
„Wir haben gezeigt, dass ein magnetisches Quasikristallgitter Zustände beherbergen kann, die über die Null- und Eins-Bit-Zustände der klassischen Informationstechnologie hinausgehen“, sagte Lopez-Bezanilla. „Indem wir ein Magnetfeld auf einen endlichen Satz von Spins anwenden, können wir die magnetische Landschaft eines Quasikristallobjekts verändern.“
„Ein Quasikristall ist eine Struktur, die sich aus der Wiederholung einiger Grundformen zusammensetzt, die anderen Regeln folgen als bei normalen Kristallen“, sagte er.
Für diese Arbeit mit Cristiano Nisoli, einem theoretischen Physiker ebenfalls in Los Alamos, diente ein D-Wave-Quantenglühcomputer als Plattform, um tatsächliche physikalische Experimente an Quasikristallen durchzuführen, anstatt sie zu modellieren. Dieser Ansatz „lässt die Materie mit Ihnen sprechen“, sagte Lopez-Bezanilla, „denn anstatt Computercodes auszuführen, gehen wir direkt zur Quantenplattform und stellen alle physikalischen Wechselwirkungen nach Belieben ein.“
Die Höhen und Tiefen von Qubits
Lopez-Bezanilla wählte 201 Qubits auf dem D-Wave-Computer aus und koppelte sie miteinander, um die Form eines Penrose-Quasikristalls zu reproduzieren.
Seit Roger Penrose in den 1970er Jahren die nach ihm benannten aperiodischen Strukturen konzipierte, hatte niemand an jedem ihrer Knoten einen Spin angebracht, um ihr Verhalten unter der Einwirkung eines Magnetfelds zu beobachten.
„Ich habe die Qubits so verbunden, dass sie alle zusammen die Geometrie eines seiner Quasikristalle reproduzierten, des sogenannten P3“, sagte Lopez-Bezanilla. „Zu meiner Überraschung beobachtete ich, dass das Anlegen spezifischer externer Magnetfelder an die Struktur dazu führte, dass einige Qubits mit der gleichen Wahrscheinlichkeit sowohl nach oben als auch nach unten ausgerichtet waren, was dazu führte, dass der P3-Quasikristall eine große Vielfalt magnetischer Formen annahm.“
Die Manipulation der Wechselwirkungsstärke zwischen Qubits und den Qubits mit dem externen Feld führt dazu, dass sich die Quasikristalle in verschiedenen magnetischen Anordnungen niederlassen, was die Aussicht bietet, mehr als ein Informationsbit in einem einzigen Objekt zu codieren.
Einige dieser Konfigurationen weisen keine genaue Ordnung der Ausrichtung der Qubits auf.
„Dies kann zu unseren Gunsten spielen“, sagte Lopez-Bezanilla, „weil sie möglicherweise ein für die Informationswissenschaft interessantes Quanten-Quasiteilchen beherbergen könnten.“ Ein Spin-Quasiteilchen ist in der Lage, Informationen immun gegen externes Rauschen zu transportieren.
Ein Quasiteilchen ist ein bequemer Weg, um das kollektive Verhalten einer Gruppe von Grundelementen zu beschreiben. Mehreren Spins, die sich wie ein einziger bewegen, können Eigenschaften wie Masse und Ladung zugeschrieben werden.
Mehr Informationen:
Alejandro Lopez-Bezanilla, Feldinduzierte magnetische Phasen in einem Qubit-Penrose-Quasikristall, Wissenschaftliche Fortschritte (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adf6631. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adf6631