Daha gerçekçi kuantum simülasyonları için sıcaklık kadranı

ABD’deki Rice Üniversitesi’nden bilim adamları, tuzaklanmış iyon simülatörünün içindeki sıcaklığı hassas bir şekilde ayarlamanın bir yolunu geliştirdiler. Bu buluş, gerçek dünya koşullarını daha iyi yansıtan hassas sıcaklıklarda kuantum simülasyonları çalıştırabilecekleri anlamına geliyor.

Tuzaklanmış iyon simülatörleri, yüklü parçacıkları kapalı bir vakum odası içinde, onları yerinde tutmak için elektrik alanlarını kullanarak izole eden kuantum cihazlarıdır. Sıradan bilgisayarların hesaplaması çok zor olan kimyasal reaksiyonlar veya egzotik malzemeler gibi karmaşık kuantum sistemlerini taklit edip inceliyorlar.

Bu cihazların içindeki sıcaklıklar genellikle mutlak sıfıra mümkün olduğunca yakın tutulur, böylece termal hareket hesaplamaları bozmaz veya hatalara neden olmaz. Ancak araştırmacılar, sistemin enerji kaybetme hızını yanlışlıkla değiştirmeden sıcaklığı ayarlamanın uygun bir yolundan yoksundu. Bu, çalışmaların çoğunlukla mutlak sıfır veya kontrolsüz yüksek sıcaklıklar kullanılarak yapıldığı anlamına geliyordu.

Daha fazla kontrol

Dergisinde yayınlanan çalışmalarında Fiziksel İnceleme Mektuplarıekibi, ısıtma ve soğutmayı bağımsız olarak düzenlemelerine olanak tanıyan iki düğmeli bir kontrol sistemini nasıl geliştirdiklerini anlatıyor.

Araştırmacılar aynı anda çalışan iki araç kullandılar. Hassas lazer ışınları, iyonların hareketindeki titreşim enerjisini sürekli olarak ortadan kaldırdı. Aynı zamanda, iyonları rastgele sallayan ve ısıyı artıran radyo sinyallerini yayınlamak için odanın dışında bir anten kullandılar.

Ekip, lazer soğutmanın gücünü radyo sinyallerine karşı dengeleyerek tam sıcaklıkları belirleyebildi. Bu, enerjinin kaçma hızını değiştirmeden sistemin termal enerjisini değiştirmelerine olanak tanıdı ve onlara ihtiyaç duydukları hassas kontrolü sağladı.

Yazarlar makalelerinde “Tutsak iyon hareketi için sonlu sıcaklık rezervuarlarının mühendisliği için çok yönlü ve ölçeklenebilir bir yöntem sunuyoruz” diye yazdılar.

Teknolojiyi test etmek

Bilim adamları, kurulumlarını test etmek için, gerçek kimyasal süreçlerden ilham alan kuantum sistemlerini modellemek için küçük tuzaklanmış iyon zincirlerini kullanarak iki farklı deney gerçekleştirdiler.

İlk testte, bir kimyasal reaksiyon sırasında bir elektronun iki molekül arasında nasıl hareket ettiğini gösteren yük transferini simüle ettiler. Sıcaklığı değiştirerek, sıçramaların mümkün olduğu ısı değişimlerini gösterdiler.

Daha yüksek sıcaklıklar, kolay ve düşük enerjili sıçramaları yavaşlattı, ancak elektronlara, soğukken tamamen engellenen dik sıçramalar yapmak için gereken itmeyi sağladı. Bu düzeyde bir kontrole sahip olmak, araştırmacıların artık bu tür simülasyonlarda sıcaklığın farklı kuantum taşıma yollarını nasıl etkilediğini inceleyebileceği anlamına geliyor.

İkinci testte, bitki fotosentezinden esinlenerek enerji taşınımını modellediler ve hassas ısıtmanın, enerjinin soğukken onu engelleyen bariyerlerin üzerinden atlamasına izin veren gizli yolların kilidini açtığını gösterdiler. Araştırmacılar, “Yerel sıcaklık, yapıcı müdahale yoluyla, aksi takdirde bastırılmış transfer yollarını etkinleştirebilir” dedi.

Daha sonra ekip, bu sıcaklık kontrolünü gerçek dünya koşullarında karmaşık kimyasal reaksiyonları simüle etmek ve oda sıcaklığında çalışabilen kuantum sistemlerinin geliştirilmesine yardımcı olmak için kullanmayı hedefliyor.