Neočekávaný obrat v kvantové fyzice může vysvětlovat nerovnováhu mezi hmotou a antihmotou

Nedostatek symetrie v qubits nemůže opravit chyby Kvantové výpočty, ale mohl vysvětlit nerovnováhu mezi hmotou a antihmotou.

Nečekaný zvrat v teorii Kibble-Zurek nabízí nový přístup k řešení dvou slavných fyzikálních problémů souvisejících s asymetrií hmoty / antihmoty a separací izotopů.

Tým kvantových teoretiků, kteří se pokoušeli vyřešit zásadní problém s kvantovými žhavými počítači – pro správnou funkci musí běžet relativně pomalu – našel místo toho něco zajímavého. Při studiu výkonu kvantových žhavičů, když fungovali rychleji, než bylo požadováno, tým neočekávaně objevil nový efekt, který by mohl být zodpovědný za nevyvážené rozložení hmoty a antihmoty ve vesmíru, stejně jako nový přístup k oddělení izotopů.

„I když náš objev neodstranil časové omezení záře, přinesl s sebou řadu nových fyzických problémů, které lze nyní zkoumat pomocí kvantových zářičů, aniž by museli být příliš pomalí,“ řekl Nikolai Sinitsyn, teoretický fyzik z Národní laboratoře v Los Alamos. Sinitsyn je autorem příspěvku publikovaného 19. února 2021 Dopisy o fyzickém vyšetřeníse spoluautory Bin Yan a Wojciech Zurek, oba také z Los Alamos, a Vladimir Chernyak z Wayne State University.

Toto zjištění významně naznačuje, jak lze v budoucnu vyřešit alespoň dva slavné vědecké problémy. První je zjevná asymetrie mezi hmotou a antihmotou ve vesmíru.

„Věříme, že k prokázání našeho účinku budou stačit malé úpravy nedávných experimentů s kvantovým zářením interagujících qubitů ultra studených atomů prostřednictvím fázových přechodů,“ řekl Sinitsyn.

Neočekávaný obrat v teorii Kibble-Zurek

Nový dokument, který se pokouší odstranit časové omezení v počítačích s kvantovou záře, místo toho otevřel řadu nových fyzických problémů, které lze nyní zkoumat pomocí kvantových zářičů, aniž by museli být příliš pomalí. Fotografický kredit: Národní laboratoř Los Alamos

Vysvětlení rozporu mezi hmotou a antihmotou

Jak hmota, tak antihmota byly výsledkem energetických stimulů, které vznikly při narození vesmíru. Symetrie mezi interakcí hmoty a antihmoty byla přerušená, ale velmi slabá. Stále není zcela jasné, jak by tento jemný rozdíl mohl vést k velké pozorované dominanci hmoty ve srovnání s antihmotou na kosmologické úrovni.

Nově objevený efekt ukazuje, že taková asymetrie je fyzicky možná. Stává se to, když velký kvantový systém prochází fázovým přechodem, to znamená velmi ostré přeskupení kvantového stavu. Za takových okolností se silné, ale symetrické interakce zhruba navzájem kompenzují. Pak mohou hrát rozhodující roli jemné, trvalé rozdíly.

Vytvořte kvantovou záři dostatečně pomalu

Počítače s kvantovou záře byly vyvinuty za účelem řešení složitých optimalizačních problémů přiřazením proměnných kvantovým stavům nebo qubitům. Na rozdíl od binárních bitů klasického počítače, které mohou být pouze ve stavu nebo hodnotě 0 nebo 1, mohou být qubity v kvantové superpozici mezilehlých hodnot. To je místo, kde všechny kvantové počítače čerpají své neuvěřitelné, i když do značné míry nevyužité síly.

V počítači s kvantovou záře jsou qubity zpočátku vytvářeny v jednoduchém stavu s nejnižší energií použitím silného vnějšího magnetického pole. Toto pole se poté pomalu vypne, zatímco interakce mezi qubity se pomalu zapnou.

“V ideálním případě by annealer běžel dostatečně pomalu, aby běžel s minimálními chybami, ale kvůli dekoherenci musíte annealer spustit Rychleji,” Vysvětlil Yan. Tým zkoumal účinek běhu ohřívačů vyšší rychlostí, což je omezuje na omezenou dobu provozu.)

„Podle adiabatické věty v kvantové mechanice musí qubity vždy zůstat ve stavu s nejnižší energií, když jsou všechny změny velmi pomalé, tzv. Adiabaticky pomalé,“ řekl Sinitsyn. „Když je nakonec změříme, najdeme požadovanou konfiguraci nul a těch, které minimalizují sledovanou funkci, které by nebylo možné dosáhnout pomocí moderního klasického počítače.“

Zkroutil se odkoherencí

Stejně jako všechny předchozí kvantové počítače však i nyní dostupným kvantovým zpracovatelům brání interakce jejich qubits s prostředím, což vede k dekoherenci. Tyto interakce omezují čisté kvantové chování qubitů na zhruba miliontinu sekundy. Během tohoto období musí být výpočty rychlé – neadiabatické – a nežádoucí energetické podněty mění kvantový stav a vedou k nevyhnutelným chybám ve výpočtu.

Teorie Kibble-Zurek, kterou společně vyvinul Wojciech Zurek, předpovídá, že většina chyb nastane, když se qubits setkají s fázovým přechodem, tj. S velmi ostrým přeskupením jejich kolektivního kvantového stavu.

Pro tuto práci tým zkoumal známý řešitelný model, ve kterém identické qubits interagují pouze se svými sousedy v řetězci. Model analyticky ověřuje teorii Kibble-Zurek. Ve snaze vyléčit omezený provozní čas v počítačích s kvantovou záře teoretici zvýšili složitost tohoto modelu tím, že předpokládali, že qubits jsou rozděleny do dvou skupin se stejnými interakcemi v rámci každé skupiny, ale mírně odlišné interakce pro qubits z různých skupin by mohly.

V takové směsi objevili neobvyklý efekt: jedna skupina stále generovala velké množství energetických buzení při procházení fázovým přechodem, zatímco druhá skupina zůstávala na energetickém minimu, jako by systém vůbec nezažil žádný fázový přechod. .

„Model, který jsme použili, je vysoce symetrický, aby byl řešitelný, a našli jsme způsob, jak model rozšířit, narušit tuto symetrii a stále ji vyřešit,“ vysvětlil Sinitsyn. “Pak jsme zjistili, že teorie Kibble-Zurek přežila, ale s kroucením – polovina qubitů nepoužívala žádnou sílu a chovala se ‘pěkně’.” Jinými slovy si zachovaly své základní stavy. “

Druhá polovina qubitů bohužel způsobila mnoho chyb ve výpočtu – takže zatím neexistuje lék na procházení fázovým přechodem v počítačích s kvantovou záře.

Nový způsob oddělení izotopů

Dalším dlouhodobým problémem, který může těžit z tohoto účinku, je separace izotopů. Například přírodní uran je často nutné rozdělit na obohacené a ochuzené izotopy, aby mohl být obohacený uran použit pro účely jaderné nebo národní bezpečnosti. Současný proces separace je nákladný a energeticky náročný. Objevený efekt znamená, že dynamickým cyklováním směsi interagujících ultrachladných atomů prostřednictvím kvantového fázového přechodu mohou nebo nemusí být selektivně excitovány různé izotopy a poté separovány pomocí dostupné techniky magnetického vychylování.

Odkaz: „Neadiabatický fázový přechod se zlomenou chirální symetrií“ Bin Yan, Vladimir Y. Chernyak (Wayne State University), Wojciech H. Zurek a Nikolai A. Sinitsyn. 19. února 2021, Dopisy o fyzickém vyšetření.
DOI: 10,1103 / PhysRevLett.126.070602

Financování: Tato práce byla provedena za podpory amerického ministerstva energetiky, úřadu pro vědu, ministerstva základních energetických věd, vědy o materiálech a inženýrství programu teorie kondenzovaných látek. Bin Yan rovněž uznává podporu Centra pro nelineární studia v LANL.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Líheň je otevřená, stanici zabírá 10 členů posádky

Nově přidaný personál stanice, který se skládal z 10 členů, se shromáždil v servisní jednotce Zvezda, aby uspořádali uvítací ceremoniál s rodinnými příslušníky a...

Chronické virové infekce mohou mít hluboký trvalý účinek na imunitu člověka, podobně jako stárnutí

Analýza topologie sítě funkce imunitního systému představující desítky integrovaných buněčných odpovědí, které jsou během odstraňování viru hepatitidy C u lidí obráceny. Zkoumané signální...

Byly odhaleny bizarní dýchací orgány 450 milionů let starých mořských živočichů

Zápočet: UCR Trilobité měli při dýchání jednu nohu Nová studie našla první důkazy o vysoce vyvinutých dýchacích orgánech u mořských živočichů starých 450 milionů let. ...

“Čmáranice světla” v reálném čase

Vědci z Tokijské metropolitní univerzity vyvinuli zjednodušený algoritmus pro převod volně nakreslených čar na standardním stolním procesoru na hologramy. Dramaticky snižují náklady na...

Mineralogie hluboké kůry Země pohání hotspoty pro domácí život

Tým DeMMO Field zleva doprava: Lily Mumper, Britney Kruger a Caitlin Cesar vzorky zlomenin z vrtné soupravy DeMMO. Kredit: © Matt Kapost Pod zeleným...

Newsletter

Subscribe to stay updated.