近絕對零度的光子像磁?來看看新量子模擬器中的光吧!

2019年03月22日     356     檢舉

EPFL物理學家們提出了一種新的「量子模擬器」:一種基於雷射的設備,可以用來研究大範圍的量子系統。研究人員發現,光子在接近絕對零度的溫度下可以表現得像磁偶極子,這符合量子力學定律。

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簡單的模擬器可以更好地理解複雜材料在這種極端條件下的性能。當受到量子力學定律的約束時,由許多相互作用粒子組成的系統可以表現出如此複雜的行為,以至於它的定量描述超出了世界上最強大計算機的能力。

博科園-科學科普:1981年,有遠見卓識的物理學家理察·費曼提出:可以用一種由同樣量子定律控制的人工設備來模擬這種複雜行為,這種人工設備後來被稱為「量子模擬器」。複雜量子系統的一個例子是放置在低溫下的磁鐵。接近絕對零度(-273.15攝氏度)時,磁性材料可能會經歷所謂的「量子相變」。就像傳統相變(比如冰融化成水,或者水蒸發成蒸汽)一樣,系統仍然在兩種狀態之間切換,除了接近相變點時系統表現出量子糾纏——量子力學預測的最深刻特徵。對實驗物理學家來說,在真實材料中研究這種現象是一項極具挑戰性的任務。

研究人員Riccardo Rota和Vincenzo Savona正在設計他們的量子模擬器。圖片:R. Ravasio/EPFL

但是由EPFL文森佐·薩沃納(Vincenzo Savona)領導的物理學家們現在提出了一個量子模擬器,有望解決這個問題。薩沃納實驗室的博士后里卡多·羅塔(Riccardo Rota)說:這個模擬器是一個簡單的光子設備,可以很容易地用當前的實驗技術建造和運行。但更重要的是,它可以模擬真實、相互作用的磁鐵在非常低溫度下的複雜行為。模擬器可以使用超導電路建造——現代量子計算機使用的技術平台相同。這些電路與雷射場耦合,從而在光粒子(光子)之間產生有效的相互作用。當研究模擬器時,發現在真實材料中,光子在量子相變中的表現與磁偶極子相同。

簡而言之,現在可以用光子在量子磁體上進行虛擬實驗,而不必自己設置實驗。薩沃納說:我們是理論家,想到了這個特殊量子模擬器的想法,並用傳統計算機模擬來模擬它的行為,當量子模擬器處理一個足夠小的系統時,就可以做到這一點。研究結果證明,所提出的量子模擬器是可行的,目前正在與希望實際建造並使用實驗來驗證。可以理解的是,模擬器可以應用於廣泛的量子系統,能使物理學家研究幾個複雜的量子現象,這是量子技術發展的一個真正顯著進步。