חוקרים ב-TU Wien חידשו טכניקת קירור לניסויים קוונטיים על ידי שליטה בתנודות בקונדנסט של Bose-Instein, תוך שיפור משמעותי של סימולטורים קוונטיים לחקר פיזיקה קוונטית מורכבת.
ניסויים קוונטיים יציבים יותר מתאפשרים ב-TU Wien עם טריקים חדשים – על ידי פיצול גאוני של קונדנסטים של Bose-Instein
ניסויים קוונטיים, בין אם הם מתמקדים במחשבים קוונטיים, טלפורטציה קוונטית או חיישנים קוונטיים חדשים, עומדים בעקביות בפני אתגר משותף: השפעות קוונטיות הן שבריריות ביותר ומופרעות בקלות. הם רגישים ביותר להפרעות חיצוניות – למשל, לתנודות הנגרמות פשוט מהטמפרטורה שמסביב. לכן חשוב להיות מסוגל לקרר ניסויים קוונטיים בצורה יעילה ככל האפשר.
ב-TU Wien (וינה), הוכח כעת שניתן להשיג סוג זה של קירור בדרך חדשה ומעניינת: עיבוי Bose-Einstein מחולק לשני חלקים, לא בפתאומיות ולא באיטיות במיוחד, אבל עם דינמיקה זמנית מאוד ספציפית. שמבטיחה מניעת תנודות אקראיות בצורה מושלמת ככל האפשר. בדרך זו, ניתן להפחית משמעותית את הטמפרטורה הרלוונטית בעיבוי Bose-Instein הקר במיוחד. זה חשוב עבור סימולטורים קוונטיים, המשמשים ב-TU Wien כדי לקבל תובנות לגבי השפעות קוונטיות שלא ניתן היה לחקור בשיטות קודמות.
סימולטורים קוונטיים
"אנחנו עובדים עם סימולטורים קוונטיים במחקר שלנו", אומר מקסימיליאן פרופר, שחוקר שיטות חדשות במכון האטומי של TU Wien בעזרת מענק Esprit מ-FWF. "סימולטורים קוונטיים הם מערכות שהתנהגותן נקבעת על ידי השפעות מכניות קוונטיות וניתן לשלוט ולנטר אותן בצורה טובה במיוחד. לכן ניתן להשתמש במערכות אלו כדי לחקור תופעות יסודיות של פיזיקת הקוונטים המתרחשות גם במערכות קוונטיות אחרות, שלא ניתן לחקור אותן בקלות כזו".
טיאנטיאן ג'אנג ומקסימיליאן פרופר. קרדיט: TU Wien
משמעות הדבר היא שמערכת פיזית משמשת למעשה ללמוד משהו על מערכות אחרות. הרעיון הזה לא לגמרי חדש בפיזיקה: למשל, אפשר גם לבצע ניסויים בגלי מים כדי ללמוד משהו על גלי קול – אבל קל יותר לצפות בגלי מים.
"בפיזיקת הקוונטים, סימולטורים קוונטיים הפכו בשנים האחרונות לכלי שימושי ורב-תכליתי ביותר", אומר מקסימיליאן פרופר. "בין הכלים החשובים ביותר למימוש מערכות מודל מעניינות הם עננים של אטומים קרים במיוחד, כמו אלה שאנו לומדים במעבדה שלנו." בעיתון הנוכחי שפורסם ב סקירה פיזית X, המדענים בראשות Jörg Schmiedmayer ומקסימיליאן Prüfer חקרו כיצד הסתבכות קוונטית מתפתחת לאורך זמן וכיצד ניתן להשתמש בכך כדי להשיג איזון טמפרטורה קרה עוד יותר מבעבר. הדמיית קוונטית היא גם נושא מרכזי ב-QuantA Cluster of Excellence שהושק לאחרונה, בו נחקרות מערכות קוונטיות שונות.
כמה שיותר קר, יותר טוב
הגורם המכריע שמגביל בדרך כלל את ההתאמה של סימולטורים קוונטיים כאלה כיום הוא הטמפרטורה שלהם: "ככל שנקרר טוב יותר את דרגות החופש המעניינות של הקונדנסט, כך נוכל לעבוד איתו טוב יותר ונוכל ללמוד ממנו יותר." אומר מקסימיליאן פרופר.
ישנן דרכים שונות לקרר משהו: לדוגמה, אתה יכול לקרר גז על ידי הגדלת נפחו באיטיות רבה. עם קונדנסטים קרים במיוחד של Bose-Instein, משתמשים בדרך כלל בטריקים אחרים: האטומים האנרגטיים ביותר מוסרים במהירות עד שנשאר רק אוסף של אטומים, בעלי אנרגיה נמוכה למדי, ולכן הם קרירים יותר.
"אבל אנחנו משתמשים בטכניקה אחרת לגמרי", אומרת טיאנטיאן ג'אנג, הכותבת הראשונה של המחקר, שחקרה את הנושא הזה במסגרת עבודת הדוקטורט שלה במכללת הדוקטורט של המרכז של וינה למדע וטכנולוגיה קוונטית. "אנחנו יוצרים עיבוי Bose-Instein ואז מפצלים אותו לשני חלקים על ידי יצירת מחסום באמצע." מספר החלקיקים שמגיעים בצד ימין ובצד שמאל של המחסום אינו ידוע. בשל חוקי הפיזיקה הקוונטית, יש כאן מידה מסוימת של אי ודאות. אפשר לומר ששני הצדדים נמצאים בסופרפוזיציה קוונטית-פיזיקלית של מצבי מספר חלקיקים שונים.
"בממוצע, בדיוק 50% מהחלקיקים נמצאים משמאל ו-50% מימין", אומר מקסימיליאן פרופר. "אבל פיזיקת הקוונטים אומרת שתמיד יש תנודות מסוימות. התנודות, כלומר הסטיות מהערך הצפוי, קשורות קשר הדוק לטמפרטורה”.
קירור על ידי שליטה בתנודות
צוות המחקר ב-TU Wien הצליח להראות: לא פיצול פתאומי במיוחד או איטי במיוחד של הקונדנסט של Bose-Einstein אינו אופטימלי. יש למצוא פשרה, דרך מותאמת בחוכמה לפיצול דינמי של הקונדנסט, על מנת לשלוט בתנודות הקוונטיות בצורה הטובה ביותר. לא ניתן לחשב זאת: לא ניתן לפתור בעיה זו באמצעות מחשבים רגילים. אבל עם ניסויים, צוות המחקר הצליח להראות: ניתן להשתמש בדינמיקת הפיצול המתאימה כדי לדכא את התנודות במספר החלקיקים, וזה בתורו מתורגם להפחתת הטמפרטורה שברצונך למזער.
"קשקשים טמפרטורה שונים קיימים בו זמנית במערכת זו, ואנחנו מורידים אחד מאוד ספציפי מהם", מסביר מקסימיליאן פרופר. "אז אתה לא יכול לחשוב על זה כמו מיני מקרר שמתקרר באופן ניכר. אבל לא על זה אנחנו מדברים: דיכוי התנודות הוא בדיוק מה שאנחנו צריכים כדי להיות מסוגלים להשתמש במערכת שלנו כסימולטור קוונטי אפילו טוב יותר מבעבר. כעת נוכל להשתמש בו כדי לענות על שאלות מפיזיקה קוונטית בסיסית שבעבר לא היו נגישות".
