Ученые Военно-исследовательской лаборатории США обнаружили ключевое понимание для разработки квантовых устройств и квантовых компьютеров. Было определено, что класс частиц, известный как бозоны, может вести себя как противоположный класс частиц, называемых фермионами, когда они выстроены в линию.
Исследование, проведенное в государственном университете Пенна и финансируемое Военно-исследовательской лабораторией армии по развитию боевых возможностей армии США, показало, что, когда внутренние взаимодействия между бозонами в одномерном газе очень высокие, из-за распределения скоростей превращает их в невзаимодействующих фермионов, в следствии того, что 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», - говорит доктор Пол Бейкер, управляющий программами по атомной и молекулярной физике государственного университета Пенна . «Это исследование демонстрирует, что системная статистика может быть изменена путем правильного ограничения размеров системы. В дополнение к углублению понимания основополагающих принципов, это открытие может предоставить метод для динамического переключения системы с бозонной на фермионную, что в конечном счете приведет к возможностям квантовых вычислений».
Исследователи экспериментально продемонстрировали, что, когда бозоны расширяются в одном измерении - линия атомов может расширяться, становясь более длинной - они могут образовывать Жидкость 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, профессор физики и один из руководителей исследовательской группы. «Бозоны, чьи спины представляют собой целые целые числа, могут иметь одно и то же квантовое состояние, в то время как фермионы, чьи спины представляют собой половину целых чисел, не могут. Когда частицы холодные или достаточно плотные, бозоны ведут себя совершенно иначе, чем фермионы. Бозоны образуют конденсаты Бозе-Эйнштейна, собираясь в одном и том же квантовом состоянии. Фермионы, с другой стороны, заполняют доступные состояния одно за другим, образуя то, что называется Ферми-жидкостью».
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 все еще имеют распределения скоростей бозонов. Когда исследователи отключают лазерную ловушку, атомы начинали расширятся 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, поскольку на них основаны многие квантовые устройства, включая квантовые симуляторы и квантовые компьютеры.
«Теперь у нас есть экспериментальное подтверждение такой системы. А если бы вы спросили любого теоретика, работающего в этой области десять лет назад, - «увидим ли мы это при нашей жизни?», он бы сказали - «ни за что», - говорит Маркос Ригол, профессор физики, один из руководителей исследовательской группы.