Открытие бозонных частиц дает представление о квантовых вычислениях

Исследователи, работающие над проектом армии США, обнаружили ключевую идею для разработки квантовых устройств и квантовых компьютеров.

Ученые обнаружили, что класс частиц, известный как бозоны, может вести себя как противоположный класс частиц, называемых фермионами, когда они вынуждены в линию.

Исследование, проведенное в Пеннском государственном университете и частично финансируемое Исследовательским отделом армии, входящим в состав Исследовательской лаборатории армии по развитию боевых возможностей армии США, показало, что, когда внутренние взаимодействия между бозонами в одномерном газе очень сильны, их Распределение скоростей превращается в газ невзаимодействующих фермионов, когда они расширяются в одном измерении. Исследование опубликовано в журнале Science .

«Производительность атомных часов, квантовых компьютеров и квантовых систем зависит от правильного сохранения свойств выбранной системы», — сказал доктор Пол Бейкер, менеджер программ по атомной и молекулярной физике в ARO. «Это исследование демонстрирует, что системная статистика может быть изменена путем правильного ограничения размеров системы. В дополнение к углублению нашего понимания основополагающих принципов, это открытие может предоставить метод для динамического переключения системы с бозонной на фермионную, чтобы наилучшим образом соответствовать военная необходимость «.

Исследователи экспериментально продемонстрировали, что, когда бозоны расширяются в одном измерении — линия атомов может расширяться, становясь более длинной — они могут образовывать море Ферми.

«Все частицы в природе бывают одного из двух типов, в зависимости от их вращения, квантового свойства, не имеющего реального аналога в классической физике», — сказал Дэвид Вайс, заслуженный профессор физики в штате Пенсильвания и один из руководителей исследовательской группы. «Бозоны, чьи спины представляют собой целые целые числа, могут иметь одно и то же квантовое состояние, в то время как фермионы, чьи спины представляют собой половину целых чисел, не могут. Когда частицы холодные или достаточно плотные, бозоны ведут себя совершенно иначе, чем фермионы. Бозоны образуют конденсаты Бозе-Эйнштейна, собираясь в одном и том же квантовом состоянии. Фермионы, с другой стороны, заполняют доступные состояния одно за другим, образуя то, что называется морем Ферми ».

Исследовательская группа создала массив ультрахолодных одномерных газов, состоящих из бозонных атомов (бозе-газов), используя оптическую решетку, в которой для захвата атомов используется лазерный свет. В световой ловушке система находится в равновесии, и сильно взаимодействующие бозе-газы имеют пространственные распределения, такие как фермионы, но все же имеют распределения скоростей бозонов. Когда исследователи отключают часть света-ловушки, атомы расширяются в одном измерении. Во время этого расширения распределение скорости бозонов плавно превращается в распределение, идентичное фермионам.

«Полностью понимая динамику одномерных газов, а затем постепенно делая газы менее интегрируемыми, мы надеемся определить универсальные принципы в динамических квантовых системах», — сказал Вайс.

Динамические, взаимодействующие квантовые системы являются важной частью фундаментальной физики. Они также становятся все более технологически значимыми, поскольку на них основаны многие актуальные и предлагаемые квантовые устройства, включая квантовые симуляторы и квантовые компьютеры.

«Теперь у нас есть экспериментальный доступ к вещам, которые, если бы вы спросили любого теоретика, работающего в этой области десять лет назад,« увидим ли мы это при нашей жизни? » они бы сказали «ни за что», — сказал Маркос Ригол, профессор физики в штате Пенсильвания и другой руководитель исследовательской группы.

В дополнение к ARO это исследование финансировалось Национальным научным фондом США.

---

Источник истории:

Материалы предоставлены научно-исследовательской лабораторией армии США . Примечание: содержание может быть отредактировано по стилю и длине.

---

Ссылка на журнал :

1. Джошуа М. Уилсон, Нил Малвания, Юань Ле, Ичэн Чжан, Маркос Ригол, Дэвид С. Вайс. Наблюдение за динамической фермионизацией . Наука , 2020; 367 (6485): 1461 DOI: 10.1126 / science.aaz0242