Internationale Premiere! Chinesischen Wissenschaftlern ist ein großer Durchbruch gelungen

Bei Quantensimulationsexperimenten ist ein großer Durchbruch gelungen. Die Chinesische Akademie der Wissenschaften hielt am 6. eine Pressekonferenz in Peking ab. Reporter erfuhren auf der Pressekonferenz, dass dem Team des Akademikers Pan Jianwei von der University of Science and Technology of China mithilfe der „Bottom-up“-Quantensimulationsmethode die erste internationale Realisierung des fraktionalen quantenanomalen Hall-Zustands von Photonen gelungen sei. Dies ist eine wichtige Entwicklung auf dem Gebiet der Quantenphysik und der Quanteninformationswissenschaft. Die entsprechenden Forschungsergebnisse wurden online im Fachmagazin Science veröffentlicht.

Ergebnisdiagramm

Bildquelle: Offizielle Website der Chinesischen Akademie der Wissenschaften

Der Hall-Effekt beschreibt die Tatsache, dass, wenn Strom durch ein Material fließt, das einem Magnetfeld ausgesetzt ist, die Elektronen durch die Lorentzkraft beeinflusst werden, wodurch im Inneren des Materials eine Spannung erzeugt wird, die senkrecht zur Richtung des Stroms und des Magnetfelds steht. Dieser Effekt wurde 1879 vom amerikanischen Wissenschaftler Hall entdeckt und findet breite Anwendung im Bereich der elektromagnetischen Sensorik. Der anomale Hall-Effekt bezieht sich auf die Beobachtung des entsprechenden Effekts in Abwesenheit eines externen Magnetfelds.

In der traditionellen Forschung zum Quanten-Hall-Effekt wird ein „Top-down“-Ansatz verwendet. Das bedeutet normalerweise, dass die Forscher von vorhandenen Materialien ausgehen und die inhärente Struktur und Eigenschaften dieser Materialien nutzen, um Quanten-Hall-Zustände zu realisieren. Diese Methode erfordert besondere Bedingungen, wie etwa eine Umgebung mit extrem niedrigen Temperaturen, hochreine zweidimensionale Materialien und starke Magnetfelder. Diese Bedingungen sind oft schwer zu erfüllen und schränken die Kontrolle und Durchführung des Experiments ein.

Im Gegensatz dazu haben künstlich konstruierte Quantensysteme klare Strukturen, sind flexibel und steuerbar und stellen ein neues Paradigma für die Untersuchung komplexer Quantenzustände „von unten nach oben“ dar. „Der Vorteil dieses Ansatzes besteht darin, dass er eine größere Flexibilität und Steuerbarkeit bietet. Forscher können jede Komponente präzise steuern und so Quantensysteme besser verstehen und manipulieren.“ Lu Chaoyang, Co-Autor des Artikels und Professor an der University of Science and Technology of China, sagte, dass diese Art von Technologie Quantensimulation genannt werde und ein wichtiger Teil der „zweiten Quantenrevolution“ sei. Man geht davon aus, dass es in naher Zukunft zur Simulation von Quantensystemen eingesetzt werden kann, die mit klassischen Methoden nur schwer zu simulieren sind, und so eine „Überlegenheit im Quantencomputing“ erreichen wird.

„Vereinfacht ausgedrückt: Wenn man den Quanten-Hall-Effekt mit einem Haus vergleicht, ist der Top-down-Ansatz so, als würde man ein bestehendes Haus renovieren und umbauen, während der Bottom-up-Ansatz so ist, als würde man mit Ziegelsteinen und Ziegeln beginnen und ein Haus vollständig nach den Konstruktionszeichnungen neu bauen“, sagte Lu Chaoyang bildlich.

Dieses Mal verwendete das Forschungsteam einen neuen Typ supraleitenden Quantenbits namens Plasmonium, das unabhängig entwickelt wurde, um erfolgreich nichtlineare Wechselwirkungen zwischen Photonen zu realisieren. Darüber hinaus konstruierte es ein äquivalentes Magnetfeld, das auf Photonen einwirkt, um ein künstliches Eichfeld zu erzeugen und so weltweit erstmals den fraktionalen quantenanomalen Hall-Zustand von Photonen zu realisieren.

Der Nobelpreisträger für Physik Frank Wilczek lobte die Forschung in höchsten Tönen. „Dieser Bottom-up-Weg ist eine sehr vielversprechende Idee“, sagte er. „Dies ist ein beeindruckendes Experiment, das einen großen Fortschritt für die jedermannbasierte Quanteninformationsverarbeitung darstellt.“

Reporter Lu Chengkuan und Wu Changfeng

Quelle: Science and Technology Daily