Onderzoek ondersteund door het Quantum Leap Center bevordert het veld van kwantumsimulatie met behulp van kwantumsystemen op atomaire schaal. Diamanten worden vaak gewaardeerd om hun onberispelijke glans, maar universitair docent natuurkunde Zu Chongzhi ziet een diepere waarde in deze natuurlijke kristallen. Zoals gerapporteerd in Physical Review Letters, een van de meest prestigieuze tijdschriften op het gebied van de natuurkunde, heeft het ChongZu-team een belangrijke stap gezet in zijn zoektocht om diamanten in kwantumsimulators te veranderen.
Co-auteurs van het artikel zijn onder meer natuurkundeprofessor Kater Murch, promovendi He Guanghui, Ruotian (Reginald) Gong en Liu Zhongyuan. Hun werk werd gedeeltelijk ondersteund door het Center for Quantum Leaps. Het Quantum Leap Center is een kenmerkend initiatief van het Arts & Sciences Strategic Plan om kwantuminzichten en -technologieën toe te passen op de natuurkunde, biomedische en levenswetenschappen, de ontdekking van geneesmiddelen en andere verreikende gebieden.
De onderzoekers bombardeerden de diamant met stikstofatomen, waardoor deze transformeerde. Sommige van deze stikstofatomen verdringen koolstofatomen, waardoor defecten ontstaan in een verder perfect kristal. De resulterende leegte is gevuld met elektronen met spin en magnetisme, waarvan de kwantumeigenschappen kunnen worden gemeten en gemanipuleerd voor een breed scala aan toepassingen.
Zoals Zu en zijn team eerder hebben onthuld door hun werk met boor, hebben dergelijke defecten het potentieel om te worden gebruikt als kwantumsensoren die op hun omgeving en op elkaar reageren. In de nieuwe studie concentreerden onderzoekers zich op een andere mogelijkheid: het gebruik van onvolmaakte kristallen om de ongelooflijk complexe kwantumwereld te bestuderen.
Klassieke computers, inclusief de meest geavanceerde supercomputers, zijn niet voldoende om kwantumsystemen te simuleren, zelfs niet die met slechts een dozijn kwantumdeeltjes. Dit komt omdat de afmetingen van de kwantumruimte exponentieel groeien met elk extra deeltje. Maar nieuw onderzoek toont aan dat het mogelijk is om complexe kwantumdynamica direct te simuleren met behulp van bestuurbare kwantumsystemen. "We ontwerpen ons kwantumsysteem zorgvuldig, maken een simulatie en laten het draaien. Ten slotte observeren we de resultaten. Dit is een bijna onmogelijk probleem om op te lossen met een klassieke computer", zei Zu.
De vooruitgang van het team op dit gebied zal helpen bij het onderzoeken van enkele van de meest opwindende aspecten van de kwantumfysica met veel deeltjes, waaronder het realiseren van nieuwe stadia van materie en het voorspellen van opkomende verschijnselen in complexe kwantumsystemen.
In de laatste studie slaagden Zu en zijn team erin hun systeem tot 10 milliseconden stabiel te houden, een lange tijd in de kwantumwereld. Opvallend is dat hun diamantsysteem bij kamertemperatuur werkt, in tegenstelling tot andere kwantumsimulatiesystemen die bij ultrakoude temperaturen werken.
Een van de sleutels om kwantumsystemen intact te houden is het voorkomen van thermalisatie, dat wil zeggen wanneer een systeem zoveel energie absorbeert dat alle defecten hun unieke kwantumsignatuur verliezen en er uiteindelijk precies hetzelfde uitzien. Het team ontdekte dat ze deze uitkomst konden vertragen door het systeem te snel aan te drijven om energie te absorberen. Hierdoor bevindt het systeem zich in een relatief stabiele "opwarmstatus".
Dit nieuwe, op diamanten gebaseerde systeem stelt natuurkundigen in staat de interacties van meerdere kwantumgebieden tegelijkertijd te bestuderen. Het opent ook de mogelijkheid om steeds gevoeligere kwantumsensoren te creëren. "Hoe langer een kwantumsysteem bestaat, hoe hoger de gevoeligheid ervan wordt", zei Zu.
Zu en zijn team werken momenteel samen met andere UW-wetenschappers in het Quantum Leap Center om nieuwe inzichten in verschillende disciplines te verwerven. Bij Arts & Sciences werkt Zu samen met Erik Henriksen, universitair hoofddocent natuurkunde, om de prestaties van de sensor te verbeteren. Hij is ook van plan ze te gebruiken om kwantummaterialen die zijn gemaakt in het laboratorium van Sheng Ran, universitair docent natuurkunde, beter te begrijpen. Hij werkt ook samen met Philip Skemer, hoogleraar aard-, milieu- en planetaire wetenschappen, om magnetische velden in gesteentemonsters op atomair niveau te observeren, en met Shankar Mukherji, universitair docent natuurkunde, om de thermodynamica in levende biologische cellen in beeld te brengen.