Diese Quantenmaschine scheint dem Wunsch des Universums nach Unordnung zu widersprechen.

Einer der ersten Quantensimulatoren zeigte ein mysteriöses Phänomen: eine Reihe von Atomen, die periodisch in einen geordneten Zustand zurückkehren. Rennphysiker versuchen zu erklären, was passiert.

Das Schmelzen von Eis unterliegt keinem spontanen Einfrieren. Einer der Quantensimulatoren kehrt jedoch ständig in einen geordneten Zustand zurück, nachdem das System das Gleichgewicht erreicht hat.

Es wird genug Zeit vergehen, und selbst im aufgeräumtesten Raum wird es ein Durcheinander geben. Kleidung, Bücher und Papiere verlassen ihren ordentlichen Zustand und verteilen sich auf dem Boden. Und ärgerlicherweise spiegelt diese Tendenz zur Unordnung ein Naturgesetz wider: Unordnung neigt dazu, zu wachsen.

Wenn Sie beispielsweise den Ballon des Tauchers unter Druck öffnen, fliegen die darin befindlichen Luftmoleküle heraus und verteilen sich im Raum. Legen Sie einen Eiswürfel in heißes Wasser, und die in einem geordneten Kristallgitter gefrorenen Wassermoleküle lösen ihre Bindungen und zerstreuen sich. Beim Mischen und Verteilen neigt das System zum Gleichgewicht mit der Umgebung, was als Thermalisierung bezeichnet wird.

Dies ist ein allgemeiner und intuitiver Effekt, von dem die Physiker erwartet hatten, dass er 51 Rubidiumatome hintereinander ausrichtet und sie mit Lasern an Ort und Stelle hält. Atome begannen mit einer geordneten Struktur und wechselten zwischen dem "Grundzustand" mit minimaler Energie und dem angeregten Zustand. Forscher haben vorgeschlagen, dass dieses System schnell thermisch wird: Der Wechsel des Grundzustands und des angeregten Zustands wird sich fast sofort in Form einer zufälligen Sequenz beruhigen.

Zuerst wurden die Sequenzen chaotisch. Aber dann kehrten sie zur Überraschung der Wissenschaftler zu ihrer ursprünglichen Wechselsequenz zurück. Nach zusätzlichem Mischen kehrten die Atome in ihre ursprüngliche Konfiguration zurück. Die Zustände wechselten mehrmals pro Mikrosekunde mit einer Frequenz hin und her - lange nachdem das System thermisiert werden musste.

Es sah alles so aus, als hätten Sie einen Eiswürfel in heißes Wasser fallen lassen, und er schmolz nicht nur, sagte Mikhail Lukin , Physiker an der Harvard University und Leiter einer Gruppe von Wissenschaftlern. "Wir sehen, wie das Eis schmilzt und dann kristallisiert, dann schmilzt und wieder kristallisiert", sagte er. "Das ist etwas sehr ungewöhnliches."

Physiker haben dieses seltsame Verhalten "Mehrteilchen-Quantenvernarbung" genannt. Atome tragen offenbar den Abdruck der Vergangenheit wie eine Art Narbe, wodurch sie immer wieder zur ursprünglichen Konfiguration zurückkehren.

In den 16 Monaten seit der Veröffentlichung der Arbeit in der Zeitschrift Nature versuchten mehrere Gruppen von Physikern, die Natur dieser Quantennarben zu verstehen. Einige glauben, dass diese Entdeckung eine neue Kategorie der Wechselwirkung und des Verhaltens von Quantenteilchen eröffnen könnte, was die Annahme der Physiker bestreitet, dass sich ein solches System unaufhaltsam in Richtung Thermalisierung bewegt. Darüber hinaus kann der Narbeneffekt zur Schaffung neuer Arten von Quantenbits für die Langzeitspeicherung führen, die die Hauptbestandteile zukünftiger Quantencomputer sind.

Nullwahrscheinlichkeit überwinden

Tatsächlich hatten die Physiker beim Aufbau eines Systems von 51 Atomen Quantenberechnungen im Auge. Dieses System wurde als Quantensimulator konzipiert, eine Maschine zur Simulation von Quantenprozessen, die mit einem klassischen Computer nicht mit anderen Methoden untersucht werden können. Zu einer Zeit war dieses System der größte Quantensimulator von allen.

Atome der Harvard-Maschine dienen als Qubits, und ihre grundlegenden oder angeregten Zustände werden Rydberg- Zustände genannt. Forscher können das System anpassen, indem sie beispielsweise die Stärke der Wechselwirkung von Atomen untereinander ändern.

Forscher haben mehrere erste Sequenzen der Grund- und angeregten Zustände von Atomen vorbereitet. Da Atome aktiv miteinander interagieren, müssen sie zur Thermalisierung kommen. Anstelle von Wechselwirkungen, die Molekülen in einem Gas ähneln, erzeugen Atome in einem solchen Quantensystem eine Art tiefe Quantenbindung, die als Verschränkung bekannt ist. "Und dann breitet sich die Verwirrung aus", sagte Lukin. "So geschieht die Thermalisierung."


Mikhail Lukin

Und normalerweise wuchs die Komplexität im Simulator. Als die Forscher das Experiment starteten und die Atome in einer Abfolge abwechselnder angeregter und Grundzustände anordneten, verwickelten sich die Teilchen zuerst und verloren sie dann, wobei sie von der ursprünglichen Konfiguration hin und her schwangen.

Ein solches Verhalten schien unwahrscheinlich, am Rande des Unmöglichen. Nachdem die Atome zu interagieren beginnen, sollte ihre alternierende Sequenz sehr schnell vergessen werden, da Atome in eine große Anzahl möglicher Sequenzen von angeregten Zuständen und Grundzuständen übergehen können. Dies ähnelt dem Beispiel eines Zylinders, dessen Luftmoleküle die ursprüngliche Konfiguration verlassen und sich im Raum ausbreiten. Für ihre Verteilung gibt es eine große Anzahl von Orten, so dass die Wahrscheinlichkeit, dass sie alle versehentlich in den Container zurückgedrückt werden, praktisch Null ist.

"Ein Quantensystem kann in so vielen möglichen Zuständen existieren, dass es äußerst schwierig wäre, zum Original zurückzukehren", sagte Zlatko Papich , Physiker an der Universität von Leeds in England.

Lukin sagt jedoch, dass dies das ist, was sie beobachtet haben. Das System ist mit einer speziellen Physik ausgestattet, die es ihm ermöglicht, seinen eigenen Weg zurückzugehen, sagte Papich. "Sie hinterlässt eine Spur von Semmelbröseln und kehrt zum Anfang des Weges zurück."

"Dies ist die erste echte Entdeckung, die mit einer Quantenmaschine gemacht wurde", sagte Lukin.

Lukin und Kollegen begannen, das Experiment zu beschreiben, aber vor der Veröffentlichung des Werks beschrieb Lukin es auf einer Konferenz im italienischen Triest im Juli 2017. „Wir wussten nicht, wie wir das verstehen sollten“, sagte Papich, der an diesem Tag im Publikum war. "Ich glaube nicht, dass einer der Anwesenden Ideen hatte, um die Gründe dafür zu erklären."

Narben im Stadion

Bald jedoch erkannten Papich und Kollegen, dass ein solches Verhalten einem Phänomen ähnelt, das vor etwa 30 Jahren entdeckt wurde. In den 1980er Jahren untersuchte der Physiker Eric Geller aus Harvard das Quantenchaos: Was würde passieren, wenn die Quantenmechanik auf chaotische Systeme angewendet würde? Insbesondere untersuchte Geller das Abprallen von Bällen im " Bunimovich Stadium " - einem rechteckigen Tisch mit abgerundeten Ecken. Das System ist chaotisch; Für eine ausreichend lange Zeit wird der Ball alle möglichen Flugbahnen innerhalb des Stadions durchlaufen . Wenn Sie den Ball jedoch in einem bestimmten Winkel starten, folgt er für immer demselben Weg.

In einem Gedankenexperiment ersetzte Geller die Kugel durch ein Quantenteilchen. "Die naive Erwartung ist, dass, wenn unser klassisches System bereits chaotisch ist", sagte Papich, nachdem man die Regeln der Quantenmechanik hinzugefügt hat, "man noch chaotischeres Verhalten erwarten sollte." Die Wellenfunktion eines Teilchens - ein abstraktes mathematisches Paket seiner Quanteneigenschaften - muss um das Stadion herum verschmiert werden, während sich die Wellen durch den Teich ausbreiten. Die Wahrscheinlichkeit, ein Partikel an einer bestimmten Stelle im Stadion zu finden, sollte für alle Punkte gleich sein.


Ein Partikel, das auf einem Bunimovich-Stadion platziert ist, kann Narben aufweisen, Flugbahnen, bei denen die Wahrscheinlichkeit seiner Entdeckung hoch ist

Geller stellte jedoch fest, dass sich die Wellenfunktion nicht gleichmäßig ausbreitet, sondern sich auf Pfaden ansammelt, die die Flugbahn des klassischen Beispiels wiederholen, auf dem sich der Ball endlos bewegt. Als ob die Wellen eine Erinnerung an diese bestimmte Flugbahn erzeugen. "Es ist wie ein Weg nach Hause für die Wellen", sagte Geller. "Sie wollen an ihren Geburtsort zurückkehren." So einfach. "

Auf dieser Flugbahn stört sich die Teilchenwellenfunktion konstruktiv selbst und fügt Spitzen zu Spitzen und Einbrüche zu Einbrüchen hinzu. Infolgedessen befindet sich das Partikel höchstwahrscheinlich irgendwo auf dem Weg. In der Grafik ähnelt die Wahrscheinlichkeitsverteilung einer verschwommenen Version klassischer periodischer Trajektorien. "Sie scheinen mir Narben zu sein", sagte Geller. Deshalb nannte er sie in seiner Arbeit 1984 so.

Vielleicht kann ein ähnliches Phänomen durch die Tatsache erklärt werden, dass ein System von 51 Atomen zu seiner ursprünglichen Konfiguration zurückkehrt, dachte Papich. Vielleicht vermisst sie auch das Haus.

Narbe hinterlässt einen Einschnitt

Um dies herauszufinden, analysierten Papich und Kollegen die Quantenzustände des 51-Atom-Systemmodells. Sie fanden heraus, dass ihr seltsames Schwingungsverhalten Gellers Quantennarben wirklich ähnelte. Sie identifizierten Bedingungen, die den Sonderfällen ähnelten, die den Flugbahnen der Narben entsprachen. Durch periodisches Zurückkehren in diese Zustände könnte das System eine Thermalisierung vermeiden. Der Zusammenhang mit der Quantenvernarbung war stark genug, so dass sie in ihrer letztjährigen Arbeit , die in der Zeitschrift Nature Physics veröffentlicht wurde, dieses Phänomen als "Multipartikel-Quantenvernarbung" bezeichneten.

Trotz anfänglicher Skepsis durch Papichs Analyse stellten Lukin sowie Wen Wei Ho , ein Harvard-Physiker und andere, in einem im Januar veröffentlichten Artikel eine stärkere Verbindung zur Quantenvernarbung her. Sie bestimmten eine klassische Art, den Zustand eines 51-Atom-Systems als Punkt im abstrakten Raum zu beschreiben. Bei einer Änderung des Systemzustands bewegt sich ein Punkt im Raum. Die Forscher fanden heraus, dass der Punkt, wenn das System seine eigenen seltsamen Schwingungen erfährt, wie ein Ball auf einer speziellen periodischen Flugbahn entlang des Billardtisches des Stadions hin und her baumelt.


Ein Versuchsaufbau, in dem Forscher einen Quantensimulator erstellten

Als die Forscher eine klassische Analogie fanden, bekräftigten sie die Behauptung, dass das Phänomen eines einzelnen Heller-Partikels auf ein System mit vielen Partikeln anwendbar ist. "Diese Leute haben offensichtlich etwas gefunden", sagte Geller. "Auf jeden Fall."

Eines ist klar: Dieses Experiment hat das Interesse von Forschern aus der ganzen Welt geweckt. Eine Gruppe vom California Institute of Technology hat mathematische Ausdrücke für einige der Sonderzustände des 51-Atom-Systems identifiziert . Ein anderer aus Princeton schlug vor, dass Narben Teil eines allgemeineren Phänomens sein könnten, das auf verschiedenen Gebieten der Physik der kondensierten Materie anwendbar ist. "Wir glauben zu verstehen, was in diesem System passiert", sagte Ho. "Wir haben jedoch immer noch keine verallgemeinerte Methode für die Suche nach anderen Trajektorien-Narben."

Es bleiben tiefere Fragen. "Narben sind eine nützliche Beschreibung des Problems", sagte Vedika Kemani , eine Harvard-Physikerin, die nicht an dem Experiment beteiligt war. "Aber ich glaube nicht, dass wir wirklich verstehen, was zu ihrem Aussehen führt."

Struktur in Zufälligkeit

Trotz all dieser Unbekannten ist die Narbenbildung vieler Teilchen für Physiker von großem Interesse, da sie eine neue Klasse von Quantensystemen darstellen kann.

In den letzten Jahren haben Physiker eine andere ähnliche Klasse untersucht, die Mehrteilchenlokalisierung, bei der zufällige Fehler die Thermalisierung des Systems verhindern. Stellen Sie sich als Analogie eine Herde Kühe vor, die auf einem flachen Feld laufen. Kühe müssen sich schließlich an verschiedenen Orten zerstreuen - nennen wir es Kuhthermisierung. Wenn sich jedoch zufällige Hügel auf dem Feld treffen, landen die Kühe im Tiefland.

In ähnlicher Weise ist das Quantennarbensystem mit vielen Teilchen kein chaotisches System, das eine Thermalisierung anstrebt. Aber es gibt auch keine Hügel darin. "Diese Arbeit spricht von der Existenz einer neuen Klasse von Systemen, die sich irgendwo dazwischen befinden", sagte Papich.

Um den Narbeneffekt zu erklären, legt eine neue Kemani-Analyse nahe, dass das 51-Atom-System ein integrierbares System sein kann (oder sich einem annähern kann). Dies ist ein spezieller, isolierter Fall eines Systems mit vielen Einschränkungen und Merkmalen, die so abgestimmt sind, dass ihre Thermalisierung verhindert wird. Wenn das Narbensystem integrierbar ist, kann es sich als einzigartiger Fall in einer breiteren Klasse von Phänomenen herausstellen.

Physiker beschäftigen sich seit Jahrzehnten mit integrierbaren Systemen, und wenn sich herausstellt, dass das System integrierbar ist, so Papich, werden die Konsequenzen dieser Tatsache nicht so interessant sein, als ob dieses Quantensystem einzigartig wäre. Papich, Ho und Lukin haben ein Papier geschrieben , in dem sie gegen diese Möglichkeit argumentierten.

Unabhängig davon, ob sich Narben als neue Klasse des Quantenverhaltens herausstellen, weist diese Entdeckung auf die verlockende Möglichkeit hin, Quantencomputer zu verbessern. Eines der Probleme bei der Erstellung eines Quantencomputers ist die Notwendigkeit, seine fragilen Qubits zu schützen. Jede Störung oder Störung durch die Umgebung kann dazu führen, dass sich die Qubits thermisieren und darin gespeicherte Informationen löschen, wodurch der Computer unbrauchbar wird. "Wenn wir einen gemeinsamen Weg finden, um Narben in andere Systeme einzuführen, können wir Quanteninformationen möglicherweise für lange Zeit schützen", sagte Ho.

Durch Narbenbildung kann der Computer die gespeicherten Daten behalten und die Vergangenheit vor dem Chaos der Thermalisierung schützen.

"Es gibt einige schöne Strukturen, die irgendwie in einer völlig zufälligen Umgebung erhalten sind", sagte Papich. - Welche Physik lässt diesen Prozess funktionieren? "Dies ist ein tiefgreifendes und facettenreiches Thema, das viele Bereiche der Physik abdeckt, und dieser Effekt ist eine seiner Erscheinungsformen."