Studiuesit avancojnë përpjekjet për t’i kthyer diamantet në një simulator kuantik

Diamantet shpesh vlerësohen për shkëlqimin e tyre të përsosur, por Chong Zu, një asistent profesor i fizikës në Arte dhe Shkenca në Universitetin e Uashingtonit në St. Louis, sheh një vlerë më të thellë në këto kristale natyrore. Siç është raportuar në Physical Review Letters , Zu dhe ekipi i tij kanë bërë një hap të madh përpara në një përpjekje për t’i kthyer diamantet në një simulator kuantik.

Bashkautorët e punimit përfshijnë Kater Murch, profesorin e fizikës Charles M. Hohenberg dhe Ph.D. studentët Guanghui He, Ruotian (Reginald) Gong dhe Zhongyuan Liu. Puna e tyre mbështetet pjesërisht nga Qendra për Kërcimet Kuantike, një iniciativë nënshkrimi e planit strategjik të Arteve dhe Shkencave që synon të zbatojë njohuri dhe teknologji kuantike në fizikë, shkenca biomjekësore dhe të jetës , zbulimin e drogës dhe fusha të tjera të gjera.

Studiuesit transformuan diamantet duke i bombarduar me atome azoti . Disa nga ato atome të azotit shpërndajnë atomet e karbonit, duke krijuar të meta në një kristal të përsosur. Boshllëqet që rezultojnë janë të mbushura me elektrone që kanë rrotullimin dhe magnetizmin e tyre, veti kuantike që mund të maten dhe manipulohen për një gamë të gjerë aplikimesh.

Siç zbuluan më parë Zu dhe ekipi i tij përmes një studimi të borit, të meta të tilla mund të përdoren potencialisht si sensorë kuantikë që i përgjigjen mjedisit të tyre dhe njëri-tjetrit. Në studimin e ri, studiuesit u përqëndruan në një mundësi tjetër: përdorimin e kristaleve të papërsosur për të studiuar botën kuantike tepër të komplikuar.

Kompjuterët klasikë (përfshirë superkompjuterët më të avancuar) janë të pamjaftueshëm për të simuluar sistemet kuantike, madje edhe ata me vetëm një duzinë grimcash kuantike. Kjo për shkak se dimensionet e hapësirës kuantike rriten në mënyrë eksponenciale me çdo grimcë që shtohet. Por studimi i ri tregon se është e mundur të simulohet drejtpërdrejt dinamika komplekse kuantike duke përdorur një sistem kuantik të kontrollueshëm.

“Ne e inxhinierojmë me kujdes sistemin tonë kuantik për të krijuar një program simulimi dhe për ta lënë të funksionojë,” tha Zu. “Në fund, ne vëzhgojmë rezultatet. Është diçka që do të ishte pothuajse e pamundur të zgjidhej duke përdorur një kompjuter klasik.”

Përparimi i ekipit në këtë fushë do të mundësojë hetimin e disa prej aspekteve më emocionuese të fizikës kuantike me shumë trupa, duke përfshirë realizimin e fazave të reja të materies dhe parashikimin e fenomeneve emergjente nga sistemet komplekse kuantike .

Në studimin e fundit, Zu dhe ekipi i tij ishin në gjendje të mbanin sistemin e tyre të qëndrueshëm deri në 10 milisekonda, një shtrirje e gjatë kohore në botën kuantike. Çuditërisht, ndryshe nga sistemet e tjera të simulimit kuantik që funksionojnë në temperatura ultra të ftohta, sistemi i tyre i ndërtuar nga diamanti funksionon në temperaturën e dhomës.

Një çelës për të mbajtur të paprekur një sistem kuantik është parandalimi i termalizimit, pika në të cilën sistemi thith aq shumë energji sa të gjitha të metat humbasin tiparet e tyre unike kuantike dhe përfundojnë duken identike. Ekipi zbuloi se ata mund ta vononin këtë rezultat duke e drejtuar sistemin aq shpejt sa nuk ka kohë për të thithur energji. Kjo e lë sistemin në një gjendje relativisht të qëndrueshme të “paratermalizimit”.

Sistemi i ri i bazuar në diamant i lejon fizikantët të studiojnë ndërveprimet e shumë rajoneve kuantike menjëherë. Ai gjithashtu hap mundësinë për sensorë kuantikë gjithnjë e më të ndjeshëm. “Sa më gjatë të jetojë një sistem kuantik, aq më e madhe është ndjeshmëria,” tha Zu.

Zu dhe ekipi i tij aktualisht po bashkëpunojnë me shkencëtarë të tjerë të WashU në Qendrën për Kërcimet Kuantike për të fituar njohuri të reja në të gjithë disiplinat. Brenda Arteve dhe Shkencave, Zu po punon me Erik Henriksen, një profesor i asociuar i fizikës, për të përmirësuar performancën e sensorit. Ai gjithashtu planifikon të përdorë këta sensorë për të kuptuar më mirë materialet kuantike të krijuara në laboratorin e Sheng Ran, një asistent profesor i fizikës.

Ai është gjithashtu duke bashkëpunuar me Philip Skemer, një profesor i shkencave të Tokës, mjedisit dhe planetare, për të marrë një pamje të nivelit atomik të fushave magnetike në mostrat e shkëmbinjve; dhe me Shankar Mukherji, një asistent profesor i fizikës , për të imazhuar termodinamikën në qelizat e gjalla biologjike.