Физики довольно владеют мастерством управления квантовыми системами и даже создания определенных запутанных государств. Теперь исследователи JQI, во главе с теоретиком Алексеем Горшковым и экспериментатором Кристофером Монро, помещают эти навыки, чтобы работать, чтобы исследовать динамику коррелированых квантовых систем.
Что означает для объектов взаимодействовать в местном масштабе против глобально? Как местные и глобальные взаимодействия переводят на большие, все более и более связанные сети?
Как быстро определенные образцы запутанности могут сформироваться? Это виды вопросов, которые задают команды Монро и Горшкова. Их недавнее исследование результатов, как потоки информации через квантовую систему много-тела изданы на этой неделе в журнале Nature, и во второй газете, чтобы появиться в Physical Review Letters.Исследователи могут спроектировать богатый выбор взаимодействий в ультрахолодных экспериментах атома, позволив им исследовать поведение комплекса и в широком масштабе переплели квантовые системы.
В экспериментальной работе от группы Монро физики исследовали, как быстро квантовые связи сформировались в кристалле одиннадцати ионов иттербия, заключенных в электромагнитной ловушке. Исследователи использовали лазерные лучи, чтобы осуществить взаимодействия между ионами. При этих условиях система описана определенными типами моделей ‘вращения’, которые являются жизненным математическим представлением многочисленных физических явлений включая магнетизм.
Здесь, каждый атомный ион изолировал внутренние энергетические уровни, которые представляют различные государства вращения.В присутствии тщательно выбранных лазерных лучей вращения иона могут влиять на своих соседей, и рядом и далеко. На самом деле настройка силы и формы этого взаимодействия вращения вращения является главной особенностью дизайна. В лаборатории Монро физики могут изучить различные типы коррелированых государств в единственной нетронутой квантовой окружающей среде.
Чтобы видеть динамику, исследователи первоначально подготовили систему вращения иона в некоррелированом государстве. Затем, они резко включили глобальное взаимодействие вращения вращения. Система эффективно выдвинута выведенная из равновесия таким быстрым изменением, и вращения реагируют, развиваясь при новых условиях. Команда взяла снимки вращений иона в разное время и наблюдала скорость, на которую выросли квантовые корреляции.
У самих моделей вращения нет явно встроенного ограничения на то, как быстро такая информация может размножиться. Окончательный предел, и в классических системах и в квантовых системах, дан скоростью света. Однако несколько десятилетий назад, физики показали, что более медленное информационное ограничение скорости появляется из-за некоторых типов взаимодействий вращения вращения, подобных, чтобы казаться распространением в механических системах. В то время как пределы более известны в случае, где вращения преимущественно влияют на своих самых близких соседей, вычисление ограничений на информационное распространение в присутствии более расширенных взаимодействий остается сложным.
Интуитивно, чем больше объект взаимодействует с другими отдаленными объектами, тем быстрее корреляции между отдаленными областями сети должны сформироваться. Действительно, экспериментальная группа замечает, что взаимодействия дальнего действия обеспечивают сравнительное ускорение для отправки информации через кристалл вращения иона. В газете, появляющейся в Physical Review Letters, команда Горшкова улучшает существующую теорию намного более точно предсказать ограничения скорости для формирования корреляции, в присутствии взаимодействий в пределах от ближайшего соседа к дальнего действия.Подтверждение и формирование полного понимания распространения информации о кванте являются, конечно, не концом истории; это также имеет много глубоких последствий для нашего понимания квантовых систем более широко.
Например, рост запутанности, которая является формой информации, которая должна повиноваться границам, описанным выше, глубоко связан с трудностью моделирования квантовых систем на компьютере. Доктор Майкл Фосс-Фейг объясняет, «С точки зрения теоретика, эксперименты прохладны, потому что, если Вы хотите сделать что-то с квантовым симулятором, который на самом деле продвигается вне того, что могут сказать вычисления, Вы, делая динамику с системами взаимодействия дальнего действия, как ожидают, будете довольно хорошим способом сделать это. В этом случае запутанность может вырасти до пункта, что наши методы для вычисления вещей о системе много-тела ломаются».Теоретик доктор Чжэсюань Гун заявляет, что в контексте обеих работ, «Мы пытаемся поставить границы, как быстрая корреляция и запутанность могут сформироваться в универсальной системе много-тела.
Эти границы очень полезны, потому что со взаимодействиями дальнего действия, наши математические инструменты и современные компьютеры могут едва иметь успех при предсказании свойств системы. Мы тогда должны были бы или использовать эти теоретические границы или лабораторный квантовый симулятор, чтобы сказать нам, какими интересными свойствами большая и сложная сеть вращений обладает. Эти границы будут также служить директивой по тому, какое взаимодействие копируют, нужно достигнуть экспериментально, чтобы значительно ускорить информационное распространение и поколение запутанности, оба ключа для строительства быстрого квантового компьютера или быстрой квантовой сети».С экспериментальной стороны доктор Фил Рикэрм дает свою перспективу, «Мы пытаемся построить лучшую экспериментальную платформу в мире для развития уравнения Schrodinger [математика, которая описывает, как свойства квантовой системы изменяются вовремя].
У нас есть эта способность настроить систему в известном государстве и повернуть заводную рукоятку и позволить ему развиться и затем сделать измерения в конце. Для системных размеров, не намного больше, чем, то, что мы имеем здесь, делая это, становится невозможным для обычного компьютера».