Ein internationales Forschungsteam hat den schnellsten Quantensimulator der Welt entwickelt, der auf atomarer Ebene arbeiten und die Wechselwirkungen zwischen einer großen Anzahl von Partikeln innerhalb einer Milliardstel Sekunde simulieren kann. Das Projekt hat weltweit enorme Investitionen angezogen. Es ist Teil einesSammlung von Projekten, die sich jetzt auf die Entwicklung neuer Quantensimulatoren konzentrieren.
Die Wechselwirkung von Elektronen ist die Grundlage für molekulare Wechselwirkungen innerhalb eines bestimmten Systems. Ohne sie wären alle physikalischen und chemischen Phänomene, die wir heute sehen, wie Magnetismus, Supraleitung und chemische Reaktionen, nicht möglich.Wir müssen zuerst die ersten Prinzipien verstehen, die diese Prozesse steuern.
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Ein Quantensimulator ordnet die Atome in einem System zu einem Ensemble wechselwirkender Teilchen an. Dies wird als "stark korreliertes System" bezeichnet. Innerhalb dieser Systeme sind die Eigenschaften bekannt und steuerbar. Die dynamischen Wechselwirkungen werden dann simuliert, um die unbekannten Eigenschaften zu verstehenanderer Systeme.
Zu verstehen, wie groß stark korrelierte Systeme interagieren und sich verhalten, ist eine der vielen Herausforderungen, denen sich die moderne Wissenschaft gegenübersieht. Die Wissenschaft hatte bisher nicht die Rechenleistung, um die Simulationsdynamik dieser Interaktionen zu bewältigen. Der nächstgrößte Supercomputer der Welt, bekannt alsdas Post-K Computersystem, das über 11 Petaflops funktioniert kann nicht einmal die Energie des Systems berechnen, wenn die Partikelanzahl 30 überschreitet.
Um die mit dem Rechenaufwand verbundenen Probleme und die begrenzenden Faktoren der Rechenleistung zu überwinden, haben Wissenschaftler einen Quantensimulator unter Verwendung eines gepulsten Laserlichts entwickelt.
Die Methode basiert auf der Bestrahlung von Atomen zur Bildung von 'Rydberg-Atomen'. Durch Bestrahlung wird ein Elektron vom Kern eines Atoms zu einem hochenergetischen Orbital gebracht, das auch als 'Rydberg-Orbital' bezeichnet wird. Diese Bestrahlung vergrößert den Durchmesser des AtomsOrbital von 0,6 Nanometern bis Hunderten von Nanometern. Der vergrößerte Abstand zwischen dem positiv geladenen Kern und dem negativ geladenen äußeren Elektron erzeugt ein elektrisches Feld mit großer Reichweite. Durch den Aufbau eines Ensembles von Rydberg-Atomen wird das System zu einem stark korrelierten System mit mehreren Wechselwirkungen zwischeneinzelne Atome.
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Die Beobachtung der Rydberg-Atome in Quantensimulationen hat sich bis vor kurzem als schwierig erwiesen. Mit Rydberg-Systemen sind zwei Probleme verbunden. Erstens tritt ein Phänomen auf, das als "Rydberg-Blockade" bekannt ist, wenn nur ein Rydberg-Orbital im System vorhanden sein sollteZweitens erfolgt die Wechselwirkung von Rydberg-Systemen 100.000-mal schneller, als dies physikalisch möglich war.
Um die begrenzenden Faktoren zu überwinden, bestrahlten die Forscher Rubidiumproben mit einem gepulsten Laser bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt. Der neue gepulste Laserquantensimulator enthält eine Wellenlänge, die um den Faktor 1 Million breiter ist. Der Laser leuchtet auch nur für 10Pikosekundenintervalle. Die gepulste Wellenlänge bringt ein Elektron in den Rydberg, selbst wenn andere Rydberg-Atome vorhanden sind, wodurch die Rydberg-Blockade beseitigt wird. Die zeitliche Pulsbreite beträgt ein Zehntel der zeitlichen Entwicklung des Systems, wodurch die Wechselwirkungen beobachtet werden könnenin Echtzeit. Seine Entwicklung ist der bisher schnellste Quantensimulator.
Diese Methode hat mehr als 40 Atome innerhalb einer Milliardstel Sekunde nachgewiesen. Die Forscher haben auch die Bewegung der Elektronen in diesem stark korrelierten System simuliert.
Obwohl es noch in den Kinderschuhen steckt, ist das Potenzial dieser Forschung enorm. Zukünftige Ziele sind der Entwurf einer zukünftigen Simulationsplattform, die zum Entwurf magnetischer Materialien, supraleitender Materialien und spezifischer Arzneimittelmoleküle verwendet werden kann. Es wird auch erwartet, dass sie als verwendet wirdein Werkzeug, um einige der physikalischen Eigenschaften von Phänomenen zu verstehen, die wir heute beobachten, wie Supraleitung, Magnetismus und chemische Reaktionen.
Weitere Informationen : Quantenkühlung - mit Lasern?
via ScienceDaily und IMS