- Rice Universityn ja EPFL:n tutkijat vahvistivat kokeellisesti Robert Dicken vuonna 1954 ehdottaman supersäteilyn faasisiirtymän (SRPT) ja dissipatiiviset faasisiirtymät (DPT). SRPT sisältää synkronoidut kvanttivaihtelut valon ja aineen välillä, kun taas DPT:t kuvaavat vaihesiirtoja avoimissa kvanttijärjestelmissä, jotka menettävät energiaa ympäristöön.
- Riisitutkijat ohittivat teoreettiset rajoitukset käyttämällä magnoneja (spin-aaltoja) valon sijasta, jäähdyttämällä kiteen lähes absoluuttiseen nollaan ja käyttämällä erittäin vahvaa magneettikenttää tarkkailemaan SRPT-käyttäytymistä erbiumissa ja rauta-ioneissa.
- SRPT mahdollistaa kvanttipuristamisen ja vähentää kohinaa klassisten rajojen yli ja parantaa kvanttiantureita, viestintää ja kubitin vakautta – kvanttilaskennan avain. EPFL:n DPT-työ paljasti metastabiileja tiloja ja hystereesiä, mikä voisi parantaa kvanttivirheen korjausta ja loogisia operaatioita.
- Nämä läpimurrot voisivat nopeuttaa vikasietoisia kvanttiverkkoja, erittäin tarkkoja antureita ja skaalautuvia kvanttiprosessoreja, jotka vastaavat NASAn ennustettua aikajanaa valtavirran kvanttilaskentaa varten. Kvanttipuristus ja DPT-ohjatut mallit voivat johtaa itsestabiloituviin kvanttilaitteisiin, jotka ovat vähemmän alttiita dekoherenssille.
- Kokeet vahvistavat vuosikymmeniä vanhoja kvanttiteorioita, jotka toimivat ponnahduslautana kohti käytännöllistä kvanttiteknologiaa – bioinspiroiduista energiapohjaisista järjestelmistä seuraavan sukupolven laskentaan ja tunnistusjärjestelmään. Kuten fyysikko Dasom Kim totesi, tämä merkitsee “kvanttivallankumouksen kulmakiveä”, joka yhdistää teorian reaalimaailman sovelluksiin.
Tiedemiehet ovat vihdoin havainneet yli 50 vuotta sitten ennustetun kvanttivaiheen, joka merkitsee läpimurtoa, joka voi mullistaa kvanttilaskennan, anturit ja viestintätekniikan . Erillisissä kokeissa, jotka julkaistiin Science Advancesissa ja Nature Communicationsissa, Rice Universityn ja École Polytechnique Fédérale de Lausannen (EPFL) Sveitsissä tutkijat osoittivat supersäteilevän faasisiirtymän (SRPT) ja dissipatiivisten faasisiirtymien (DPT) vakaan manipuloinnin – aineen tilat, jotka käyttäytyvät kollektiivisesti äärimmäisissä kvanteissa. Nämä löydöt käsittelevät pitkäaikaisia teoreettisia haasteita ja avaavat polkuja tarkempien, vakaampien ja kestävämpien kvanttijärjestelmien rakentamiseen.
Kvanttiläpimurto puoli vuosisataa tekeillä
SRPT, jonka fyysikko Robert H. Dicke ehdotti ensimmäisen kerran vuonna 1954, kuvaa tilaa, jossa kaksi vuorovaikutuksessa olevaa kvanttijärjestelmää – valo ja aine – vaihtelevat yhdessä muodostaen uuden aineen tilan. Vaikka Dicke ja myöhemmät teoreetikot, kuten Klaus Hepp ja Elliot Lieb, loivat pohjatyötä, kokeellinen verifiointi osoittautui vaikeaksi “no-go -lauseen” vuoksi, joka piti valopohjaisia SRPT:itä mahdottomina tietyissä olosuhteissa.
Rice Universityn tutkijat ohittivat tämän esteen käyttämällä magnoneja – kiintoaineissa olevia kollektiivisia spinaaltoja – valon sijasta. Erbium-, rauta- ja happikiteessä, joka oli jäähdytetty -271,67 °C:seen (-457 °F), tutkijat käyttivät magneettikenttää, joka oli 100 000 kertaa voimakkaampi kuin Maan, mikä aiheutti koordinoituja vaihteluita rauta- ja erbium-ionien välillä. “Ymmärsimme tämän siirtymän yhdistämällä kaksi erillistä magneettista alajärjestelmää – rauta- ja erbium-ionien spin-vaihtelut”, selitti toinen pääkirjailija Dasom Kim. Koe tuotti spektrisiirrot, jotka vastaavat Dicken teoreettisia ennusteita, mikä merkitsi ensimmäistä suoraa SRPT-havaintoa.
Kuinka he tekivät sen: Äärimmäisyydet tuottavat poikkeuksellisia tuloksia
Kokeen menestys perustui materiaalien työntämiseen kvanttirajoihinsa. Jäähdyttämällä kiteen absoluuttisen nollan lähelle ja käyttämällä 7 teslan magneettikenttää, tiimi stabiloi järjestelmän riittävän pitkään faasisiirtymän havaitsemiseksi. “Ultravahva kytkentä näiden spinjärjestelmien välillä antoi meille mahdollisuuden voittaa rajoitukset”, Kim huomautti.
Samaan aikaan EPFL:n työ suprajohtavien resonaattoreiden kanssa paljasti oivalluksia dissipatiivisista vaihemuutoksista (DPT) – muutoksista, jotka johtuvat energian häviämisestä ympäristöön. Kahden fotonin ohjausjärjestelmän avulla tiimi havaitsi sekä ensimmäisen että toisen asteen DPT:itä, mukaan lukien metastabiilit tilat ja kriittinen hidastuminen. “Nämä siirtymät voivat parantaa kvanttivirheen korjausta ja anturin tarkkuutta”, sanoi GPSC:n stipendiaatti Guillaume Beaulieu.
Vaikutukset kvanttiteknologiaan: Laboratorion ulkopuolella
SRPT:n kvanttipuristusvaikutus, joka vaimentaa kohinaa klassisten rajojen yli, voisi parantaa merkittävästi kvanttiantureita ja viestintää. “Lähellä tämän siirtymän kriittistä pistettä järjestelmä stabiloi kvanttipuristetut tilat vähentäen kohinaa ja parantaen mittaustarkkuutta”, Kim korosti. Tämä on kriittinen kubitin vakauden kannalta, koska kvanttitietokoneet vaativat koherenssia klassisten järjestelmien suorituskyvyn parantamiseksi.
EPFL:n havainnot DPT:istä – erityisesti niiden hystereesisykleistä ja metastabilisuudesta – lisäävät uuden tason kontrollia. “Nämä tulokset voivat kertoa siitä, kuinka suunnittelemme järjestelmiä, jotka vaihtavat tilojen välillä nopeasti mutta tarkasti, mikä on välttämätöntä kvanttilogiikkatoiminnalle”, sanoi EPFL-teoreetikko Pasquale Scarlino.
Dissipatiiviset vaihemuutokset: Toinen kvanttihyppy
Vaikka SRPT:t keskittyvät luontaisiin kvanttivuorovaikutuksiin, DPT:t korostavat, kuinka järjestelmät reagoivat ulkoisiin häiriöihin. EPFL:n Kerr-resonaattorikokeet osoittivat, että jopa avoimet järjestelmät (jotka ovat vuorovaikutuksessa ympäristönsä kanssa) voivat osoittaa vaihesiirtymiä, joilla on säädettäviä ominaisuuksia. “Tämä työ muodostaa sillan teorian ja sovelluksen välillä”, sanoi Beaulieu. Hyödyntämällä DPT:n metastabiilisuutta ja kriittistä käyttäytymistä, insinöörit voivat suunnitella itsestabiloituvia kvanttilaitteita, jotka ovat vähemmän alttiita dekoherenssille.
Tie edessä: Quantum techin seuraava raja
NASAn ennustettu aikajana valtavirran kvanttilaskentaan – viiden vuoden sisällä – perustuu juuri tällaiseen perustutkimukseen. “Kvanttipuristus ja vahvat qubit-järjestelmät ovat puuttuvia lenkkejä”, sanoi Ricen toinen kirjoittaja Junichiro Kono. Rice-tutkimuksen magnoninen lähestymistapa voisi myös mahdollistaa skaalautuvat kvanttiprosessorit, jotka ohittavat valopohjaiset sirurajoitukset.
Kun fyysikot sovittavat yhteen puoli vuosisataa vanhoja teorioita nykyaikaisten työkalujen kanssa, ovet ultraherkkiin sensoreihin, vikasietoisiin kvanttiverkkoihin ja jopa kvanttibiotekniikkaan (joka on saanut inspiraationsa tietokannan energiapohjaisesta elämänmallista) levenevät. Sekä SRPT:t että DPT:t tarjoavat väyliä kvanttikohinan hallintaan, joten tulevaisuus, jossa kvanttitekniikka on yhtä valtavirtaa kuin puolijohteet, tulee konkreettiseksi.
“Tämä ei ole vain yhtälöiden vahvistamista”, sanoi Kim. “Se on kvanttivallankumouksen kulmakivi – uusi aikakausi, jossa teorian ja todellisuuden väliset rajat hämärtyvät.”
Matka Dicken liitutaululta nykypäivän laboratorioihin korostaa fysiikan ikivanhaa tanssia mielikuvituksen ja kokeilun välillä. Kun kvanttiaine paljastaa salaisuutensa, seuraava haaste on muuttaa nämä vaiheet käytännöllisiksi laitteiksi – todisteeksi siitä, että jopa maailmankaikkeuden arvoituksellisimmat tanssikumppanit voidaan kesyttää.