새로운 통찰력을 제공하는 양자 시뮬레이터

새로운 통찰력을 제공하는 양자 시뮬레이터
장치는 전자의 일부가 1D에서 서로 다른 속도로 어떻게 움직이는지 보여줍니다.
날짜:
2022년 6월 16일
원천:
라이스 대학교
요약:
양자 시뮬레이터는 물리학자들에게 전자라고 불리는 더 이상 나눌 수 없는 입자의 두 부분이 극도로 차가운 1D 와이어에서 서로 다른 속도로 이동하는 기이한 현상인 스핀-전하 분리에 대한 명확한 시각을 제공합니다. 이 연구는 원자 규모의 와이어를 사용하는 양자 컴퓨팅 및 전자공학에 영향을 미칩니다.

Rice University의 양자 시뮬레이터는 물리학자들에게 사람을 반으로 자르는 마술사의 환상의 양자 세계 버전인 스핀 전하 분리에 대한 명확한 시각을 제공합니다.

이번 주 사이언스 (Science )에 발표된 이 연구는 원자 규모의 와이어를 사용하는 양자 컴퓨팅 및 전자 장치에 대한 의미를 가지고 있습니다.

전자는 나눌 수 없는 아주 작은 아원자 입자입니다. 그럼에도 불구하고 양자 역학은 스핀과 전하의 두 가지 속성이 1차원 와이어에서 서로 다른 속도로 이동하도록 지시합니다.

쌀 물리학자인 Randy Hulet, Ruwan Senaratne 및 Danyel Cavazos는 이 양자 스펙터클의 원시 버전을 반복적으로 보고 사진을 찍을 수 있는 극저온의 장소를 건설했으며, 발표된 결과에 대해 Rice, 중국, 호주 및 이탈리아의 이론가들과 협력했습니다.

양자 시뮬레이터는 원자, 이온 또는 분자와 같은 실제 물체의 양자 특성을 활용하여 기존 컴퓨터로 해결하기 어렵거나 불가능한 문제를 해결합니다. Rice의 스핀 전하 시뮬레이터는 리튬 원자를 1D 전자 와이어 대신 전자와 빛의 채널로 사용합니다.

우주는 원자의 양자 거동을 모호하게 하는 열로 가득 차 있습니다. 리튬의 양자 효과를 감지하기 위해 Hulet의 팀은 레이저 냉각을 사용하여 원자를 우주에서 가장 차가운 자연 물체보다 100만 배 더 차갑게 만들었습니다. 추가 레이저는 1D 광 채널 또는 광 도파관을 생성했습니다.

현실이 된 이상

전자는 공간 공유를 거부하는 반사회적 양자 입자입니다. 스핀 전하 분리는 1D에서 상호 혐오의 표현입니다. 그것은 약 60년 전에 물리학자 Shinichiro Tomonaga와 Joaquin Luttinger에 의해 이론적으로 공식화되었습니다. 그러나 전자 재료에서 이를 측정하는 것은 매우 어려운 것으로 입증되었습니다.

Rice의 Fayez Sarofim 물리학 교수이자 Rice Quantum Initiative 회원인 Hulet은 시뮬레이터가 이전에는 불가능했던 방식으로 스핀 전하 분리의 물리학을 조사할 수 있다고 말했습니다.

"사람들은 고체 상태 물질에서 스핀-전하 분리를 관찰했지만 매우 깨끗하거나 정량적인 방식으로 본 적이 없습니다."라고 Hulet은 말했습니다. "우리의 실험은 거의 정확한 이론과 비교할 수 있는 정량화 가능한 측정값을 제공한 최초의 것입니다."

실제 물질에는 결함이 있지만 Tomonaga와 Luttinger의 이론은 완벽한 1D 와이어에서 전자의 거동을 설명합니다. 새로운 시뮬레이션은 이론적 이상과 유사한 깨끗한 환경에서 실제 양자 입자의 거동을 보여줍니다.

"차가운 원자는 입자 사이의 상호 작용 강도를 조정할 수 있는 능력을 제공하여 Tomonaga-Luttinger Liquid 이론과 거의 교과서적인 비교를 가능하게 합니다."라고 Hulet이 말했습니다.

더 적은 차원, 다른 물리학

한 전자가 다른 전자와 충돌할 때 충격을 받은 전자를 더 높은 에너지 상태로 여기시킬 수 있는 에너지를 전달합니다. 3D 물질에서 여기된 전자는 멀리 징징거리고, 무언가와 충돌하고, 약간의 에너지를 잃으며, 다른 것과 충돌하기 위해 새로운 방향으로 이동합니다. 그러나 그것은 1D에서는 일어날 수 없습니다.

"1D에서 모든 여기는 집합적입니다."라고 Hulet은 말했습니다. "1D 와이어에서 전자를 밀면 옆에 있는 전자를 밀고 옆에 있는 전자를 밀고 이런 식입니다."

Hulet 연구실의 연구원인 Senaratne은 "그들은 서로 이동할 수 없습니다. 그들은 한 줄에 갇힌 상태입니다. 하나를 움직이면 모두 움직여야 합니다. 그렇기 때문에 전자의 여기가 1D 와이어는 필연적으로 집합적입니다."

전자가 1D에서 충돌할 때 여기가 와이어를 파동으로 파문합니다. Tomonaga와 Luttinger는 스핀 여기 파동이 전하 파동보다 느리게 움직일 것이라는 것을 깨달았습니다. 그러나 Hulet은 이러한 분리를 전자의 분리 또는 시뮬레이터의 경우 리튬 원자의 분할로 상상하는 것은 옳지 않다고 말했습니다.

"직관적이지 않다"고 그는 말했다. "당신은 물질이 파동으로 존재한다고 상상해야 합니다."

속도 비교

2018년 Hulet의 그룹은 전하파에 해당하는 것을 들뜨게 할 수 있는 1D 시뮬레이터를 만들었고 그의 팀은 파동이 얼마나 빨리 움직이는지 측정했습니다. Tomonaga-Luttinger Liquid 모델을 테스트하기 위해 그들은 전하파의 속도와 라인을 따라 이동하는 스핀파의 속도를 비교할 필요가 있었습니다.

Hulet은 "당시 우리는 스핀파를 자극할 수 없었지만 Ruwan과 Danyel은 가능한 시스템을 만들었습니다. "우리는 자발적 방출이라는 프로세스와 관련된 기술적 장애물을 극복해야 했습니다."

Cavazos는 "우리가 보려고 하는 효과는 약간 미묘합니다. 따라서 너무 많이 흔들면 씻겨 나갈 것입니다. 비유는 우리가 무언가의 사진을 찍으려고 하지만 플래시는 우리가 촬영하려는 것을 손상시켰습니다. 그래서 우리는 이 비유에서 플래시의 색상을 변경하여 더 부드럽게 만들어야 했습니다. 또한 시스템을 약간 변경하여 이전처럼 깨지기 쉬운 일이 없도록 했습니다. 조합을 통해 미묘한 효과를 실제로 볼 수 있었습니다."

실험 데이터는 중국과학원과 호주국립대학교의 공동 저자인 Xi-Wen Guan과 공동 저자인 Han Pu의 연구 그룹이 수행한 최첨단 이론 계산의 예측과 밀접하게 일치했습니다. 쌀.

1D 문제

"집적 회로가 작아짐에 따라 칩 제조업체는 차원에 대해 걱정하기 시작해야 합니다."라고 Hulet이 말했습니다. "그들의 회로는 결국 우리가 이야기한 1차원 와이어와 같은 방식으로 전자를 전도하고 전달해야 하는 1차원 시스템이 됩니다."

이 연구는 또한 오늘날의 양자 컴퓨터를 괴롭히는 결맞음이 없는 큐비트로 정보를 인코딩하는 위상 양자 컴퓨터 기술의 개발을 도울 수 있습니다. 마이크로소프트와 다른 기업들은 일부 1D 또는 2D 초전도체에 존재할 수 있는 마요라나 페르미온(Majorana fermions)이라는 양자 입자로 토폴로지 큐비트를 만들기를 희망합니다. Hulet의 장기 목표는 Majorana 페르미온을 수용할 수 있는 일종의 1D 초전도체를 시뮬레이션하는 것이며 이번 주 보고서는 그 목표를 향한 큰 진전을 의미한다고 말했습니다.

"우리는 이러한 시스템에 대해 배우고 있습니다."라고 그는 말했습니다. "누군가가 기본을 하고 실험적으로 사물을 조작하는 방법, 관찰이 의미하는 바 및 이해하는 방법을 배우는 것이 중요합니다. 이 작업은 중요한 단계입니다. 이것은 하나의 시스템을 시뮬레이션하는 시스템에서 실험을 수행할 수 있는 우리의 능력을 보여줍니다. 차원 초전도체."