Ученые превращают алмазы в квантовые симуляторы
Бриллианты, обычно известные своим непревзойденным блеском, недавно стали предметом переворотного исследования под руководством Чонга Цу в Университете Вашингтона в Сент-Луисе. Вместо того чтобы фокусироваться на их традиционной красоте, команда углубляется в потенциальную роль бриллиантов в квантовых симуляциях. В основе их эксперимента — техника, при которой бриллианты облучаются атомами азота. Этот процесс приводит к вытеснению атомов углерода, вызывая «дефекты» в кристаллах бриллианта. Интересно, что эти пробелы затем заполняются электронами, которые по своей природе обладают квантовыми свойствами, такими как вращение и магнетизм. Эти свойства предлагают множество возможностей, от манипулирования для различных приложений до служения основными элементами для понимания более широких квантовых систем.
Предыдущая работа Цу по бору показала, что такие дефекты в бриллиантах могут служить квантовыми датчиками, способными взаимодействовать со своим окружением и друг с другом. Этот новый подход обещает способ исследовать обширный и сложный мир квантовой физики, не сталкиваясь с ограничениями более традиционных методов. В этом стремлении очевидна неадекватность даже самых продвинутых классических компьютеров. По мере увеличения числа частиц в квантовой системе сложность моделирования системы также растет экспоненциально, делая традиционные вычисления практически невозможными.
Тем не менее, представленное в этой статье исследование предвещает ключевой прорыв. Цу и его команда демонстрируют потенциал прямой симуляции сложных квантовых динамик с помощью управляемой квантовой системы. Этот прямой подход устраняет необходимость в посредничестве классических вычислений, позволяя исследователям наблюдать результаты из первых рук. Замечательно, что команда смогла поддерживать стабильность этой квантовой системы в течение 10 миллисекунд, поразительно длительный период времени в квантовых терминах. Кроме того, отличаясь от других квантовых исследований, система Цу на основе бриллиантов работает при комнатной температуре.
Углубляясь в технические детали, одной из основных проблем, с которой столкнулась команда, была термализация, феномен, который может нарушить квантовую систему, унифицируя все ее дефекты. Однако исследователи разработали изобретательное решение этой проблемы: быстро приводя систему в движение, они предотвращают ее избыточное поглощение энергии. Этот метод приводит к состоянию, называемому «претермализацией», где квантовая система остается относительно стабильной.
Применения исследования имеют широкий охват. Измененная структура бриллианта предлагает прочную платформу для изучения нескольких квантовых областей одновременно. Она также предвещает разработку все более чувствительных квантовых датчиков, с продолжительностью жизни квантовой системы, напрямую влияющей на ее чувствительность. Подчеркивая междисциплинарный характер своей работы, команда Цу установила сотрудничество в нескольких дисциплинах в WashU. Их коллективная цель варьируется от улучшения производительности датчиков и углубления понимания квантовых материалов до анализа магнитных полей на атомном уровне в образцах пород и визуализации термодинамики в живых биологических клетках.
В заключении, это передовое исследование меняет наше восприятие бриллиантов с простых символов красоты на потенциальные ключевые элементы в будущем квантовых симуляций. Эти находки не только обогащают наше понимание квантовой физики, но также обещают многочисленные приложения в различных научных областях.
Источник: https://phys.org/news/2023-10-advance-effort-diamonds-quantum-simulator.html
