Ultraschnelle Quantensimulation großräumiger Quantenverschränkung

Eine Forschungsgruppe unter der Leitung von Professor Kenji Ohmori am Institute for Molecular Science der National Institutes of Natural Sciences verwendet einen künstlichen Kristall aus 30.000 Atomen, die in einer kubischen Anordnung mit einem Abstand von 0,5 Mikrometern angeordnet und auf eine Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt abgekühlt sind. Durch die Manipulation der Atome mit einem speziellen Laserlicht, das 10 Pikosekunden lang blinkt, gelang es ihnen, eine Quantensimulation eines Modells magnetischer Materialien durchzuführen.

Ihr im letzten Jahr vorgestelltes neuartiges „ultraschnelles Quantencomputer“-System wurde auf die Quantensimulation angewendet. Ihre Leistung zeigt, dass ihr neuartiger „ultraschneller Quantensimulator“ eine bahnbrechende Plattform ist, da er das Problem des externen Rauschens, eines der größten Probleme bei Quantensimulatoren, vermeiden kann. Der „ultraschnelle Quantensimulator“ soll zum Design funktionaler Materialien und zur Lösung gesellschaftlicher Probleme beitragen.

Ihre Ergebnisse wurden online veröffentlicht in Briefe zur körperlichen Untersuchung.

Bei der Quantentechnologie, die in den letzten Jahren einen verstärkten Entwicklungswettbewerb erlebt hat, etwa bei Quantencomputern, Quantensimulatoren und Quantensensoren, handelt es sich um eine qualitativ neue Technologie, die sich die „Wellennatur“ von Elektronen und Atomen zunutze macht. Da die Quantentechnologie das Potenzial hat, funktionale Materialien, Arzneimittel, Informationssicherheit, künstliche Intelligenz usw. zu revolutionieren, werden weltweit enorme Investitionen getätigt.

Ein Quantensimulator ist ein Gerät, das das komplexe Verhalten von Elektronen und anderen mikroskopischen Teilchen in einem Festkörper simuliert, indem es sie auf ein gut kontrollierbares Modellmaterial abbildet. Es wird erwartet, dass es Probleme löst, die selbst mit dem schnellsten Supercomputer unendlich viel Zeit in Anspruch nehmen würden, und so bahnbrechende Innovationen zur Lösung gesellschaftlicher Probleme wie Logistik und Verkehrsstaus sowie bei der Entwicklung supraleitender und magnetischer Materialien hervorbringt.

Andererseits werden Quantenzustände, die durch quantenmechanische Teilchen wie Elektronen und Atome erzeugt werden, leicht durch Rauschen aus der äußeren Umgebung und Lasern beeinträchtigt, was die Entwicklung von Quantencomputern erschwert.

Im Jahr 2022 realisierte eine Forschungsgruppe unter der Leitung von Professor Kenji Ohmori an den National Institutes of Natural Sciences ein ultraschnelles Zwei-Qubit-Gate, das mit kalten Atomen in nur 6,5 Nanosekunden arbeitet und die Geschwindigkeit des Zwei-Qubit-Gatters um zwei Größenordnungen verbesserte im Vergleich zum herkömmlichen Kaltatom-Ansatz und ebnet so den Weg für die Realisierung eines ultraschnellen Quantencomputers, der die Auswirkungen von Rauschen ignorieren kann.

Wenn ihr ultraschneller Ansatz auf Quantensimulationen angewendet werden kann, wird erwartet, dass er auch das Problem des Rauschens löst und einen äußerst zuverlässigen und innovativen Quantensimulator realisiert.

Forschungsergebnisse

Die Forschungsgruppe führte ultraschnelle Quantensimulationen eines Modells magnetischer Materialien durch, indem sie eine Atomanordnung aus 30.000 Atomen präparierte, auf nahezu den absoluten Nullpunkt abkühlte und sie mit hoher Präzision mithilfe eines Laserpulses manipulierte, der nur 10 Pikosekunden lang blinkt.

Mit dem ultraschnellen Quantensimulator gelang es, die Bildung der Quantenverschränkung (das Thema des Nobelpreises für Physik im letzten Jahr), eine Korrelation, die nur für quantenmechanische Teilchen gilt, in 600 Pikosekunden zu simulieren, der schnellsten der Welt. Der ultraschnelle Quantensimulator wendet das neuartige Schema des „ultraschnellen Quantencomputers“ auf einen Quantensimulator an: Er umgeht den Rydberg-Blockadeeffekt mit einem ultraschnellen Laser.

Die Überwindung des Rauschproblems sowie das Erreichen hoher Geschwindigkeit und präziser Steuerungen sind der Schlüssel zu einer zuverlässigen Quantensimulation. Die von der Gruppe realisierte weltweit schnellste Quantensimulation ist drei Größenordnungen schneller als herkömmliche Simulatoren und mehr als 1.000 Mal schneller als Rauschen, sodass die Rauscheffekte vernachlässigt werden können.

Quantenverschränkung, eine besondere Korrelation, die in quantenmechanischen Teilchen wie Atomen und Elektronen auftritt, aus denen Materie besteht, ist ein Konzept, das für das Verständnis der „Quantenwelt“ wesentlich ist, während es als äußerst schwierig gilt, sie in großen Systemen und realen Materialien zu messen.

Diese Errungenschaft, die die Entstehung einer großräumigen „Quantenverschränkung“ in ultraschneller Zeitskala simuliert, soll zur Entwicklung der Quantentechnologie beitragen, indem sie die „Quantenverschränkung“, eine wesentliche Ressource für Quantencomputer und Quantennetzwerke, in Zukunft versteht -Maßstabssysteme nahe am Praxisniveau.

Darüber hinaus wird erwartet, dass Quantensimulationen magnetischer Materialien unser Verständnis des Ursprungs physikalischer Eigenschaften von Materialien wie des Magnetismus verbessern. Es wird auch Leitlinien für das Design von Geräten und Funktionsmaterialien der nächsten Generation liefern, die durch den Einsatz quantenmechanischer Effekte eine dramatische Funktionalität aufweisen.

Das Experiment wurde mit Rubidiumatomen durchgeführt. Zunächst wurden 30.000 gasförmige Rubidiumatome mittels Laserkühlung auf eine ultratiefe Temperatur von weniger als 10 Millionstel Kelvin abgekühlt. Dann wurde ein künstlicher Kristall hergestellt, indem die Atome mithilfe eines optischen Gitters in einem Abstand von 0,5 Mikrometern in einer kubischen Anordnung angeordnet wurden.

Anschließend bestrahlten sie ultrakurze Laserpulse, die nur 10 Milliardstel Sekunden lang blinken, um in den 5S-Orbitalen von Atomen gefangene Elektronen in riesige 35D-Elektronenorbitale (Rydberg-Orbitale) anzuregen, und beobachteten, was mit dem künstlichen Kristall passiert. Die Forscher beobachteten die Bildung einer „Quantenverschränkung“, einer Korrelation, die nur bei quantenmechanischen Teilchen auftritt, auf einer Zeitskala von einigen hundert Pikosekunden aufgrund der starken Wechselwirkung zwischen den entfernten Atomen.

Zukünftige Entwicklung und gesellschaftliche Bedeutung dieser Forschung

Die mit der Kaltatomplattform erreichte ultraschnelle Quantensimulation magnetischer Materialien wurde mithilfe des einzigartigen Schemas realisiert, das von derselben Forschungsgruppe entwickelt wurde, um eine Anordnung von 30.000 Atomen mit einem ultraschnellen Laser zu manipulieren. Die Forschungsgruppe hat gezeigt, dass der ultraschnelle Quantensimulator eine revolutionäre Plattform ist.

Es wird erwartet, dass der von der Forschungsgruppe entwickelte innovative ultraschnelle Quantensimulator in Zukunft weiter verbessert wird, um den Ursprung physikalischer Eigenschaften von Materialien wie Magnetismus aufzuklären und Richtlinien für die Gestaltung von Quantenmaterialien bereitzustellen, die dramatische Funktionen aufweisen (Geräte der nächsten Generation und funktionale). Materialien, die quantenmechanische Effekte nutzen) und so Innovationen in die Materialforschung zu bringen.

Es wird auch erwartet, dass es zur Entwicklung der Quantentechnologie beiträgt, indem es die Quantenverschränkung, eine unverzichtbare Ressource für Quantencomputer und Quantennetzwerke, in einem Großsystem nahe dem zukünftigen praktischen Niveau versteht. Darüber hinaus wird erwartet, dass es sich zu einem Werkzeug zur Lösung gesellschaftlicher Probleme wie Logistik, Verkehrsstaus und Stromtransport entwickelt, die selbst mit Supercomputern nur schwer zu lösen sind, indem es quantenmechanische Effekte nutzt.