Исследователи нашли ключевое понимание для разработки квантовых устройств и квантовых компьютеров. Ученые обнаружили, что класс частиц, известный как бозоны, может вести себя как противоположный класс частиц, называемых фермионами, когда они вытянуты в линию.
Исследование, проведенное в Университете штата Пенсильвания и финансируемое частично Исследовательским отделом армии, входящим в состав Армейской исследовательской лабораторией (ARL) по развитию боевых возможностей армии США, показало, что, когда внутренние взаимодействия между бозонами в одномерном газе очень сильны, их распределение скоростей превращается в газ невзаимодействующих фермионов, когда они расширяются в одном измерении. Исследование опубликовано в журнале Science.
«Производительность атомных часов, квантовых компьютеров и квантовых систем зависит от правильного сохранения свойств выбранной системы», - сказал доктор Пол Бейкер, менеджер программ по атомной и молекулярной физике в ARO. «Это исследование демонстрирует, что системная статистика может быть изменена путем правильного ограничения размеров системы. В дополнение к углублению нашего понимания основополагающих принципов, это открытие может предоставить метод для динамического переключения системы с бозонной на фермионную, чтобы наилучшим образом соответствовать военной необходимости».
Исследователи экспериментально продемонстрировали, что, когда бозоны расширяются в одном измерении - линия атомов может расширяться, становясь более длинной - они могут образовывать море Ферми.
«Все частицы в природе бывают одного из двух типов, в зависимости от их вращения, квантового свойства, не имеющего реального аналога в классической физике», - сказал Дэвид Вайс, заслуженный профессор физики в штате Пенсильвания и один из руководителей исследовательской группы. «Спины бозонов представляют собой целые целые числа, поэтмоу они могут иметь одно и то же квантовое состояние. А фермионы не могут, так как их спины представляют собой половину целых чисел. Когда частицы холодные или достаточно плотные, бозоны ведут себя совершенно иначе, чем фермионы. Бозоны образуют бозе-эйнштейновские конденсаты, собираясь в одном и том же квантовом состоянии. Фермионы, с другой стороны, заполняют доступные состояния одно за другим, образуя то, что называется морем Ферми».
Исследовательская группа создала массив ультрахолодных одномерных газов, состоящих из бозонных атомов (бозе-газов), используя оптическую решетку, в которой для захвата атомов используется лазерный свет. В световой ловушке система находится в равновесии, и сильно взаимодействующие бозе-газы имеют пространственные распределения, такие как фермионы, но имеют распределения скоростей бозонов. Когда исследователи отключают часть света в ловушке, атомы расширяются в одном измерении. Во время этого расширения распределение скорости бозонов плавно превращается в распределение, идентичное фермионам.
«Полностью понимая динамику одномерных газов, а затем постепенно делая газы менее интегрируемыми, мы надеемся определить универсальные принципы в динамических квантовых системах», - сказал Вайс.
Динамические, взаимодействующие квантовые системы являются важной частью фундаментальной физики. Они также становятся все более технологически значимыми, так как на них основаны многие актуальные и предлагаемые квантовые устройства, включая квантовые симуляторы и квантовые компьютеры.
«Теперь у нас есть экспериментальный доступ к вещам, которые, если бы вы спросили любого теоретика, работающего в этой области десять лет назад, «увидим ли мы это при нашей жизни? » они бы ответили «никогда», - сказал Маркос Ригол, профессор физики в штате Пенсильвания и другой руководитель исследовательской группы.
#квантовый компьютер #бозон #частицы