Forscher treiben ihre Bemühungen voran, Diamanten in einen Quantensimulator zu verwandeln

Diamanten werden oft wegen ihres makellosen Glanzes geschätzt, aber Chong Zu, Assistenzprofessor für Physik im Bereich Kunst und Wissenschaft an der Washington University in St. Louis, sieht in diesen natürlichen Kristallen einen tieferen Wert. Wie berichtet in Briefe zur körperlichen UntersuchungZu und sein Team haben einen großen Schritt vorwärts gemacht, um Diamanten in einen Quantensimulator zu verwandeln.

Zu den Co-Autoren des Papiers gehören Kater Murch, der Charles M. Hohenberg-Professor für Physik, und Ph.D. Schüler Guanghui He, Ruotian (Reginald) Gong und Zhongyuan Liu. Ihre Arbeit wird teilweise vom Center for Quantum Leaps unterstützt, einer Signaturinitiative des strategischen Plans Arts & Sciences, die darauf abzielt, Quantenerkenntnisse und -technologien auf die Physik, Biomedizin und Biowissenschaften, Arzneimittelforschung und andere weitreichende Bereiche anzuwenden.

Die Forscher verwandelten Diamanten, indem sie sie mit Stickstoffatomen bombardierten. Einige dieser Stickstoffatome verdrängen Kohlenstoffatome und erzeugen Fehler in einem ansonsten perfekten Kristall. Die entstehenden Lücken werden mit Elektronen gefüllt, die ihren eigenen Spin und Magnetismus haben, Quanteneigenschaften, die gemessen und für eine Vielzahl von Anwendungen manipuliert werden können.

Wie Zu und sein Team zuvor durch eine Untersuchung von Bor enthüllten, könnten solche Fehler möglicherweise als Quantensensoren verwendet werden, die auf ihre Umgebung und aufeinander reagieren. In der neuen Studie konzentrierten sich die Forscher auf eine andere Möglichkeit: die Verwendung unvollkommener Kristalle zur Untersuchung der unglaublich komplizierten Quantenwelt.

Klassische Computer (einschließlich modernster Supercomputer) sind für die Simulation von Quantensystemen nicht geeignet, selbst solche mit nur etwa einem Dutzend Quantenteilchen. Das liegt daran, dass die Dimensionen des Quantenraums mit jedem hinzugefügten Teilchen exponentiell wachsen. Die neue Studie zeigt jedoch, dass es möglich ist, komplexe Quantendynamik mithilfe eines kontrollierbaren Quantensystems direkt zu simulieren.

„Wir entwickeln unser Quantensystem sorgfältig, um ein Simulationsprogramm zu erstellen und es laufen zu lassen“, sagte Zu. „Am Ende beobachten wir die Ergebnisse. Das ist etwas, das mit einem klassischen Computer kaum zu lösen wäre.“

Die Fortschritte des Teams auf diesem Gebiet werden die Untersuchung einiger der aufregendsten Aspekte der Vielteilchen-Quantenphysik ermöglichen, einschließlich der Realisierung neuartiger Phasen der Materie und der Vorhersage neu auftretender Phänomene aus komplexen Quantensystemen.

In der neuesten Studie konnten Zu und sein Team ihr System für bis zu 10 Millisekunden stabil halten, eine lange Zeitspanne in der Quantenwelt. Bemerkenswerterweise läuft ihr aus Diamanten gebautes System im Gegensatz zu anderen Quantensimulationssystemen, die bei extrem kalten Temperaturen arbeiten, bei Raumtemperatur.

Ein Schlüssel, um ein Quantensystem intakt zu halten, besteht darin, Thermalisierung zu verhindern, den Punkt, an dem das System so viel Energie absorbiert, dass alle Fehler ihre einzigartigen Quantenmerkmale verlieren und am Ende identisch aussehen. Das Team stellte fest, dass sie dieses Ergebnis verzögern könnten, indem sie das System so schnell fahren, dass es keine Zeit hat, Energie zu absorbieren. Dadurch verbleibt das System in einem relativ stabilen Zustand der „Vorwärmung“.

Das neue diamantbasierte System ermöglicht es Physikern, Wechselwirkungen mehrerer Quantenregionen gleichzeitig zu untersuchen. Es eröffnet auch die Möglichkeit für immer empfindlichere Quantensensoren. „Je länger ein Quantensystem lebt, desto größer ist die Empfindlichkeit“, sagte Zu.

Zu und sein Team arbeiten derzeit mit anderen WashU-Wissenschaftlern im Center for Quantum Leaps zusammen, um disziplinübergreifend neue Erkenntnisse zu gewinnen. Im Bereich Arts & Sciences arbeitet Zu mit Erik Henriksen, einem außerordentlichen Professor für Physik, an der Verbesserung der Sensorleistung. Er plant auch, diese Sensoren zu nutzen, um die Quantenmaterialien besser zu verstehen, die im Labor von Sheng Ran, einem Assistenzprofessor für Physik, hergestellt wurden.

Er arbeitet auch mit Philip Skemer, einem Professor für Erd-, Umwelt- und Planetenwissenschaften, zusammen, um einen Blick auf die Magnetfelder in Gesteinsproben auf atomarer Ebene zu erhalten; und mit Shankar Mukherji, einem Assistenzprofessor für Physik, um die Thermodynamik in lebenden biologischen Zellen abzubilden.