Bau eines Quantensimulators für ultrakalte Atome: Magie mit Magie besiegen!

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Luan Chunyang (Institut für Physik, Tsinghua-Universität)

Hersteller: China Science Expo

„Es wird voraussichtlich ein Meilenstein und großer Durchbruch in der modernen Wissenschaft und Technologie werden!“ „Es ist ein experimentelles Meisterwerk und eine lang erwartete Errungenschaft!“

Welche Art wissenschaftlicher Forschungsergebnisse könnten die Gutachter der Zeitschrift Nature zu solchen Ausrufen veranlassen?

Diese Leistung ist einer Gruppe herausragender Wissenschaftler der University of Science and Technology of China zu verdanken, die erfolgreich einen Quantensimulator namens „Tianyuan“ entwickelt haben. Dieser Quantensimulator ist bemerkenswert, weil er ein komplexes Problem bewältigen kann, das Wissenschaftler schon lange vor ein Rätsel stellt, nämlich die Simulation des „Fermion-Hubbard-Modells“.

Der Tianyuan-Quantensimulator verfügt über bis zu 800.000 optische Gitterpunkte, was bedeutet, dass seine Simulationsfähigkeiten die klassischen Computer, die wir im täglichen Leben verwenden, bei weitem übertreffen. Noch spannender ist, dass damit erstmals ein wichtiges physikalisches Phänomen namens „antiferromagnetischer Phasenübergang“ experimentell bestätigt werden konnte, was den Beginn einer neuen Ära der Quantenwissenschaft markiert.

Die Auswirkungen dieser Arbeit gehen weit über unsere derzeitige Vorstellungskraft hinaus. Es bietet Wissenschaftlern nicht nur ein neues Werkzeug zur Erforschung spezieller physikalischer Verhaltensweisen bei niedrigen Temperaturen, sondern verhilft uns auch zu einem tieferen Verständnis komplexer Phänomene wie der Hochtemperatur-Supraleitung. Dies eröffnet nicht nur neue Horizonte für die wissenschaftliche Forschung, sondern legt auch eine solide Grundlage für zukünftige technologische Innovationen.

Die entsprechenden Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature unter dem Titel „Antiferromagnetic Phase Transition in the Three-Dimensional Fermion-Hubbard Model“ veröffentlicht (Bildquelle: Referenz 1)

„Fermion-Hubbard-Modell“: Ein einfaches, aber nicht einfaches physikalisches Modell

Haben Sie sich schon einmal gefragt, warum Eisen einen kleinen Magneten anzieht, Holz jedoch nicht? Obwohl Wissenschaftler zu einem gewissen Verständnis dieser Frage gelangt sind, ist das Geheimnis des Magnetismus noch nicht vollständig gelöst.

Wissenschaftler glauben im Allgemeinen, dass das Geheimnis des Magnetismus in den Wechselwirkungen zwischen Elektronen innerhalb eines Materials liegt. Stellen Sie sich Elektronen vor, die auf der Bühne des Atoms einen komplizierten Tanz aufführen und bei denen jede ihrer Bewegungen die Harmonie der gesamten Prozession beeinflusst. Doch in der realen Welt ist dieser Tanz zu komplex, um ihn mit herkömmlichen Methoden vollständig zu erfassen.

Schematische Darstellung des magnetischen Mysteriums

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Obwohl wir wussten, dass die Antwort in den Wechselwirkungen der Elektronen lag, brauchten wir zur Lösung des Rätsels einen Schlüssel, der in komplexen Berechnungen verborgen zu sein schien.

Obwohl es kompliziert ist, dürfen wir nicht aufgeben. In der wunderbaren Welt der Elektronen bestimmt die Wechselwirkung zwischen Elektronen nicht nur die grundlegenden Eigenschaften von Materialien, sondern führt auch zu erstaunlichen physikalischen Phänomenen wie Hochtemperatur-Supraleitung und Quantenphasenübergängen. Um diese Phänomene zu erforschen, haben wir das „Fermion-Hubbard-Modell“ eingeführt.

Im Jahr 1963 schlug der Physiker John Hubbard ein Modell zur Beschreibung des Verhaltens von Elektronen in einem Gitter vor, wobei sich „Gitter“ auf die räumliche Struktur bezieht, in der Atome nach einem bestimmten Muster angeordnet sind. Dieses Modell ist nicht kompliziert. Es vereinfacht das Verhalten von Elektronen in zwei Typen: Der eine ist das Springen von Elektronen zwischen benachbarten Gittern und der andere ist die abstoßende Kraft zwischen Elektronen im selben Gitterpunkt. Trotz seiner Einfachheit kann das Modell viele komplexe Phänomene erklären, einschließlich unseres Verständnisses der Hochtemperatur-Supraleitung.

Schematische Darstellung des „Fermion-Hubbard-Modells“ in zwei Dimensionen

(Bildquelle: Wikipedia)

Dieses Modell genau zu lösen ist jedoch so, als würde man einen riesigen Wald ohne Karte durchqueren. Mit zunehmender Anzahl der Gitterpunkte steigt der Rechenaufwand dramatisch an und selbst die leistungsstärksten Supercomputer haben Schwierigkeiten, damit zurechtzukommen.

Das heißt aber nicht, dass wir hilflos sind. Vor mehr als 40 Jahren brachte der Physiker Richard Feynman eine kühne Idee vor: Warum nicht Quantensysteme direkt nutzen, um diese komplexen Quantenphänomene zu simulieren? Auf diese Weise können wir diese kniffligen numerischen Berechnungen umgehen und die Geheimnisse der Quantenwelt direkt erforschen.

Bau eines Quantensimulators für ultrakalte Atome: Magie mit Magie besiegen!

Bei der Erforschung des Verhaltens von Elektronen stoßen Wissenschaftler auf die Grenzen herkömmlicher Rechenmethoden. Um diese Herausforderungen zu meistern, befolgten sie den zukunftsweisenden Rat von Richard Feynman und begannen mit der Entwicklung eines völlig neuen Werkzeugs: eines Quantensimulators. Dieser Quantensimulator kann das Verhalten von Elektronen in einem Gitter genau simulieren und hilft uns so, ein tieferes Verständnis des „Fermion-Hubbard-Modells“ zu erlangen.

Unter vielen künstlichen Quantensystemen eignen sich ultrakalte Atome in dreidimensionalen optischen Gittern aufgrund ihrer Reinheit und Steuerbarkeit ideal für die Simulation. Stellen Sie sich vor, das „dreidimensionale optische Gitter“ sei wie ein perfektes, aus Licht gewebtes räumliches Raster, bei dem jeder Punkt ein präzise gesteuerter Knoten ist. „Ultrakalte Atome“ sind Atome, die sich durch Laserkühlungstechnologie in diesen optischen Gittern nahezu still befinden.

Schematische Darstellung der Anordnung der in das optische Gitter geladenen Atome.

(Bildquelle: Referenz 1)

Der Prozess zum Erstellen eines Quantensimulators kann vereinfacht in drei Schritte unterteilt werden:

1) Verwenden Sie drei orthogonale Laserstrahlen, um ein gleichmäßig verteiltes dreidimensionales optisches Gitter zu erzeugen, genau wie beim Zeichnen perfekter kleiner Kästchen im Raum, um eine „Bühne“ für Elektronen bereitzustellen.

2) Kühlen Sie die Atome bis nahe an den absoluten Nullpunkt ab und ordnen Sie sie geschickt in einem optischen Gitter an, damit sie bereit sind, ihre „Leistung“ zu erbringen.

3) Beobachten Sie das „wunderbare physikalische Phänomen“ auf der Bühne – den antiferromagnetischen Phasenübergang, um die Genauigkeit des Modells zu überprüfen.

Der „antiferromagnetische Phasenübergang“ mag kompliziert klingen, aber sein Wesen ist: Bei niedrigen Temperaturen neigen die Elektronenspins im Inneren des Materials dazu, in entgegengesetzte Richtungen zu zeigen, wodurch ein stabiler Zustand entsteht; Wenn jedoch die Temperatur steigt, wird diese geordnete Anordnung aufgehoben und der Magnetismus verändert sich entsprechend.

Obwohl das „Fermion-Hubbard-Modell“ bereits seit vielen Jahren vorgeschlagen wird, bleibt die direkte Beobachtung des antiferromagnetischen Phasenübergangs in Experimenten eine große Herausforderung. Dies erfordert eine Absenkung der Temperatur des Quantensimulationssystems auf ein extrem niedriges Niveau, um die Genauigkeit der Simulation sicherzustellen.

Wenn die Temperatur des Quantensimulationssystems unter eine bestimmte Temperatur gesenkt werden kann, können Wissenschaftler den Prozess der antiferromagnetischen Spinfluktuationen simulieren, was nicht nur die Theorie des Hochtemperatur-Supraleitungsmechanismus bestätigt, sondern auch einen wichtigen Schritt zum Verständnis dieses Phänomens darstellt.

Ein großer Durchbruch in der Quantensimulation

Die Geheimnisse des Magnetismus zu erforschen ist wie die Besteigung des Mount Everest, bei der jeder Schritt voller Unbekanntem und Herausforderungen steckt. Sogar ein Konzept, das sehr technisch klingt, wie der „antiferromagnetische Phasenübergang“, wurde nie in Experimenten verifiziert. Ganz zu schweigen davon, dass die Simulation dieses Phasenübergangs im dotierten Zustand auf herkömmlichen Supercomputern eine nahezu unmögliche Aufgabe ist.

Wissenschaftler wie Pan Jianwei, Chen Yuao, Yao Xingcan und Deng Youjin von der University of Science and Technology of China haben sich dieser Herausforderung jedoch mutig gestellt. Sie kombinierten auf geschickte Weise fortschrittliche Technologien, um einen Quantensimulator für ultrakalte Atome zu bauen.

Der von ihnen gebaute Quantensimulator sprang von Dutzenden Gitterpunkten auf erstaunliche 800.000 Gitterpunkte, was einen qualitativen Sprung darstellt. Normalerweise besteht bei den in Experimenten konstruierten optischen Gittersystemen immer das Problem ungleichmäßiger Potentialtöpfe, ähnlich wie beim Bau eines Hauses auf unebenem Boden. Doch die Technologie des „kastenförmigen optischen Potentialtopfs“ ist wie eine „plastische Operation“ am optischen Gittersystem, bei der jeder Potentialtopf regelmäßig gemacht wird und eine perfekte Bühne für Elektronen bietet.

Ultrakalte Atome werden wie Eier in ein dreidimensionales optisches Gitter geladen

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Durch die „Flat-Top Optical Lattice“-Technologie wird der Versuchsablauf zusätzlich optimiert. Durch die Feinabstimmung des Lasers wird der zentrale Bereich des optischen Gitters gleichmäßiger, so als würde man einen flachen Teppich auf unebenem Boden auslegen, wodurch Raum für eine gleichmäßige Verteilung der Atome geschaffen wird.

Auf dieser Grundlage reduzierte das Forschungsteam das Intensitätsrauschen im Potentialtopf weiter und optimierte den Beladungsprozess ultrakalter Atome. Es ist, als würde man den Atomen an einem kalten Wintertag ein warmes und ruhiges Zuhause bieten und sicherstellen, dass sie Experimente unter optimalen Bedingungen durchführen können.

Schließlich gelang es den Wissenschaftlern, einen idealen Quantensimulator für ultrakalte Atome zu bauen. In diesem Simulator konnten die Wissenschaftler jeden Parameter präzise steuern und endlich das lang erwartete Phänomen beobachten – den antiferromagnetischen Phasenübergang. Dies ist nicht nur eine Bestätigung der Theorie, sondern auch ein wichtiger Durchbruch bei der Erforschung des physikalischen Mechanismus der Hochtemperatur-Supraleitung.

Im Rahmen dieser Forschung gelang es nicht nur weltweit erstmals, den antiferromagnetischen Phasenübergang des „Fermion-Hubbard-Modells“ (einschließlich der Situation im dotierten Zustand) zu verifizieren, sondern auch eine solide experimentelle Grundlage für unser Verständnis des physikalischen Mechanismus der Hochtemperatur-Supraleitung zu schaffen.

Diese Forschung ist wie ein Leuchtfeuer auf der langen Reise der Wissenschaft, das uns den Weg nach vorn erleuchtet und unserer Suche nach einem tieferen Verständnis der Natur neue Hoffnung und Richtung verleiht.

Ein großer Schritt in die Ära von Quanten 2.0

Dieses bahnbrechende Forschungsergebnis ist nicht nur ein brillanter Sieg für die wissenschaftliche Gemeinschaft, sondern markiert auch einen wichtigen Schritt vorwärts auf dem Gebiet des Quantencomputings. Es hat der Welt bewiesen, dass Quantensysteme nicht nur theoretische Wunder sind; Sie haben bewiesen, dass sie herkömmliche Computer übertreffen und komplexe Probleme in der realen Welt lösen können.

Es bietet Wissenschaftlern eine ideale Forschungsplattform, die es ihnen ermöglicht, tiefer gehende und schwierigere Probleme der Festkörperphysik zu untersuchen. Es ist, als würde sich eine Tür zu einer unbekannten Welt öffnen, die uns einen Blick auf das Geheimnis der starken Korrelationswechselwirkung zwischen Elektronen gewährt.

Schematische Darstellung des Tianyuan-Quantensimulators für ultrakalte Atome

(Fotoquelle: Nachrichten der China University of Science and Technology)

Da sich die Leistungsfähigkeit von Quantensimulatoren für ultrakalte Atome immer weiter verbessert, haben wir Grund zu der Annahme, dass sie in Zukunft nicht nur ein Werkzeug zur Überprüfung antiferromagnetischer Phasenübergänge sein werden, sondern auch ein leistungsfähiges Instrument zur Erforschung verschiedener exotischer physikalischer Phänomene. Es wird uns helfen, die Geheimnisse physikalischer Phänomene wie Hochtemperatur-Supraleitung und Quantenphasenübergänge zu lüften und uns ein tieferes Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Elektronen zu ermöglichen.

Der Erfolg dieser Forschung ist nicht nur eine Bestätigung bestehender wissenschaftlicher Theorien, sondern auch eine kühne Vorhersage für zukünftige wissenschaftliche Forschungen. Dies deutet darauf hin, dass Quantencomputer in Zukunft eine immer wichtigere Rolle spielen und zu einer Schlüsselkraft bei der Lösung wissenschaftlicher Probleme und der Förderung des technologischen Fortschritts werden, sodass wir die unendlichen Möglichkeiten der Quantenwelt spüren können.

Verweise

[1] Shao HJ, Wang YX, Zhu DZ, et al. Antiferromagnetischer Phasenübergang in einem 3D-fermionischen Hubbard-Modell[J]. Nature, 2024: 1-6.

[2] Gaunt AL, Schmidutz TF, Gotlibovych I, et al. Bose-Einstein-Kondensation von Atomen in einem gleichmäßigen Potential[J]. Physical Review Letters, 2013, 110(20): 200406.