Вчені намагаються перетворити алмази на квантовий симулятор

Діаманти часто цінують за їх бездоганний блиск, але Чонг Зу, доцент кафедри мистецтв і наук Вашингтонського університету в Сент-Луїсі, бачить у цих природних кристалах більшу цінність. Як повідомляється в Physical Review Letters, Зу та його команда зробили значний крок вперед у пошуках перетворення алмазів на квантовий симулятор.

Серед співавторів статті Катер Мурч, професор фізики Чарльза М. Хохенберга та доктор філософії. студенти Гуанхуей Хе, Руотян (Реджинальд) Гун і Чжун’юань Лю. Їхня робота частково підтримується Центром квантових стрибків, визначною ініціативою стратегічного плану Arts & Sciences, яка спрямована на застосування квантових ідей і технологій у фізиці, біомедицині та науках про життя, відкритті ліків та інших далекосяжних галузях.

Дослідники трансформували алмази, бомбардуючи їх атомами азоту. Деякі з цих атомів азоту витісняють атоми вуглецю, створюючи дефекти в інакше ідеальному кристалі. Отримані проміжки заповнюються електронами, які мають власний спін і магнетизм, квантові властивості, які можна вимірювати та маніпулювати для широкого спектра застосувань.

Як Зу та його команда раніше виявили під час дослідження бору, такі недоліки потенційно можуть бути використані як квантові датчики, які реагують на навколишнє середовище та один на одного. У новому дослідженні дослідники зосередилися на іншій можливості: використанні недосконалих кристалів для вивчення неймовірно складного квантового світу.

Класичні комп’ютери (включаючи найсучасніші суперкомп’ютери) недостатні для моделювання квантових систем, навіть тих, що містять лише десяток або близько того квантових частинок. Це тому, що розміри квантового простору експоненціально зростають із кожною доданою частинкою. Але нове дослідження показує, що можна безпосередньо моделювати складну квантову динаміку за допомогою керованої квантової системи.

«Ми ретельно розробляємо нашу квантову систему, щоб створити програму моделювання та дозволити їй працювати», — сказав Зу. «Зрештою ми спостерігаємо за результатами. Це те, що було б майже неможливо вирішити за допомогою класичного комп’ютера».

Прогрес команди в цій галузі дозволить досліджувати деякі з найбільш захоплюючих аспектів квантової фізики багатьох тіл, включаючи реалізацію нових фаз матерії та передбачення емерджентних явищ складних квантових систем.

В останньому дослідженні Зу та його команда змогли підтримувати свою систему стабільною до 10 мілісекунд, що є великим проміжком часу у квантовому світі. Примітно, що на відміну від інших систем квантового моделювання, які працюють при ультранизьких температурах, їх система, побудована на алмазах, працює при кімнатній температурі.

Одним із ключів до збереження квантової системи є запобігання термалізації, точці, коли система поглинає стільки енергії, що всі дефекти втрачають свої унікальні квантові характеристики та зрештою виглядають ідентичними. Команда виявила, що вони можуть відстрочити цей результат, керуючи системою так швидко, що вона не встигає поглинати енергію. Це залишає систему у відносно стабільному стані «попереднього нагрівання».

Нова алмазна система дозволяє фізикам вивчати взаємодії кількох квантових областей одночасно. Це також відкриває можливість для більш чутливих квантових датчиків. «Чим довше живе квантова система, тим більша чутливість», — сказав Зу.

Зараз Зу та його команда співпрацюють з іншими вченими WashU в Центрі квантових стрибків, щоб отримати нові знання в різних дисциплінах. У відділі Arts & Sciences Зу співпрацює з Еріком Хенріксеном, доцентом фізики, над покращенням продуктивності датчиків. Він також планує використовувати ці датчики, щоб краще зрозуміти квантові матеріали, створені в лабораторії Шенга Рана, доцента фізики.

Він також співпрацює з Філіпом Скемером, професором Землі, навколишнього середовища та планетарних наук, щоб отримати представлення магнітних полів у зразках гірських порід на атомному рівні; і з Шанкаром Мукерджі, асистентом професора фізики, щоб відобразити термодинаміку в живих біологічних клітинах.