Rydberg-atomokkal a kvantumspinfázisok nyomában
Az École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) kutatói egy új számítási megközelítés segítségével vizsgálták a topologikus anyagok egyik speciális fajtáját, az úgynevezett spinfolyadékot. A módszer alapja egy olyan kísérleti protokoll, amely nagy energiájú (Rydberg-állapotba hozott) atomokat használ, és jól ismert a kvantumoptikai körökben.
Az inspirációt Semeghini és munkatársainak úttörő kísérlete adta, amely először mutatott ki kísérletileg topologikus spinfolyadékot. Az addigi numerikus szimulációk azonban nem tudták hűen modellezni a valós kísérleti rendszert, ezért az összehasonlítások gyakran félrevezetők voltak. Az EPFL kutatói ezt a problémát orvosolták új szimulációs stratégiájukkal.
Okosabb szimuláció, pontosabb előrejelzések
A kutatók nem minden lehetséges állapot valószínűségét próbálták kiszámolni – hiszen N spin esetén ez 2 az N-ediken –, hanem egy paraméterezett kvantumállapottal dolgoztak, amely a legfontosabb jellemzőket tartalmazza. Különösen a hullámfüggvényen belüli korrelációk közvetlen kódolása bizonyult döntő lépésnek, mivel ez sok tipikus módszernél megakad, amikor a kvantumos összefonódottság elér egy bizonyos szintet.
A rendszer fejlődését egy úgynevezett időfüggő variációs Monte Carlo eljárással modellezték, amely nem igényli sem a rács méretének és kialakításának, sem az időbeli változásoknak a leegyszerűsített közelítését. Így a valós kísérletekkel megegyező méretű rendszereket lehet szimulálni.
Rendből káosz: kvantumtérképezés szimulációval
A stratégia lehetővé tette olyan mennyiségek előrejelzését is, amelyeket kísérletileg nem lehet mérni: például a topologikus entrópiát, amely segít eldönteni, hogy a vizsgált rendszer valóban topologikus kvantumállapotban van-e, vagy csak rendezetlen.
A módszer a jövőben más laboratóriumok számára is általánosan használható lehet a kvantumspinfolyadékok vizsgálatában és bonyolult kvantumprotokollok tesztelésében. Az EPFL csapata pedig már dolgozik további kvantumeszközök, kvantumprotokollok szimulációján, valamint a bemutatott protokoll által létrehozott állapot pontosabb elemzésén.
