Teorema kuantum mendasar sekarang berlaku untuk suhu terbatas dan bukan hanya nol mutlak

  • Whatsapp


Nol mutlak suhu yang paling tepat untuk eksperimen kuantum dan komputasi kuantum memudahkan untuk menggambarkan sistem dengan mengandalkan seperangkat proposisi fundamental. Salah satunya, teorema adiabatik kuantum, memastikan dinamika sistem kuantum yang lebih sederhana jika parameter eksternal berubah cukup lancar.

Karena nol mutlak secara fisik tidak dapat dijangkau, memperluas jangkauan alat penelitian teoretis untuk suhu terbatas adalah masalah yang sangat topikal. Sebuah tim fisikawan Rusia telah membuat langkah maju yang penting ke arah ini dengan membuktikan teorema adiabatik pada suhu yang terbatas dan mengidentifikasi kondisi kuantitatif untuk dinamika adiabatik. Temuan mereka akan sangat menarik bagi pengembang perangkat kuantum generasi berikutnya yang membutuhkan penyesuaian sifat superposisi kuantum yang melibatkan ratusan atau ribuan elemen. Penelitian ini didukung oleh Russian Science Foundation (RSF) menganugerahkan NS diterbitkan dalam Tinjauan Fisik A.

Kredit gambar: Pixabay (Lisensi Pixabay gratis)

Efek kuantum dapat membantu merancang komputer ultra-cepat, instrumen pengukuran ultra-presisi, dan komunikasi yang benar-benar aman yang seringkali memerlukan lingkungan yang cukup khusus untuk beroperasi dengan benar. Suhu paling nyaman untuk eksperimen kuantum adalah nol mutlak, atau -273,15 derajat Celcius.

Pada saat yang sama, prinsip superposisi kuantum yang memungkinkan beberapa hal yang tak terbayangkan, seperti kucing Schrödinger yang terkenal yang dapat mati dan hidup pada saat yang sama, dapat bekerja dengan kekuatan penuhnya. Selain itu, nol mutlak membuat deskripsi teoretis proses kuantum sedikit lebih mudah, memberikan fisikawan dan insinyur proposisi ketat yang membantu memprediksi hasil eksperimen kuantum dan merancang perangkat kuantum.

Hukum Ketiga Termodinamika menyatakan bahwa nol mutlak tidak dapat dicapai dan hanya abstraksi yang berguna. Dalam kehidupan nyata, suhu selalu terbatas dan mampu menghancurkan superposisi kuantum rapuh yang mendasarinya, jadi mengendalikan proses halus pada suhu terbatas adalah tujuan utama teknologi kuantum.,” kata Oleg Lychkovskiy, PhD dalam Fisika dan Matematika dan ilmuwan peneliti senior di Institut Sains dan Teknologi Skolkovo (Skoltech), Institut Fisika dan Teknologi Moskow (MIPT), dan Institut Matematika Steklov RAS.

Keadaan sistem kuantum ditentukan oleh objek matematika yang kompleks, yang disebut operator kepadatan. Jika parameter kontrol eksternal sistem, seperti medan listrik atau magnet, berubah seiring waktu, operator juga berkembang. Kompleksitas evolusi yang merupakan inti dari potensi besar komputer kuantum jauh melampaui kemampuan superkomputer modern, bahkan untuk sistem yang hanya berisi ratusan qubit.

Namun, kita harus belajar untuk “menjinakkan” kompleksitas ini untuk dapat membuat komputer kuantum generasi baru dan perangkat kuantum lainnya. Gagasan yang cukup sederhana yang mengandalkan evolusi adiabatik, salah satu konsep dasar dalam fisika, adalah bahwa keadaan kuantum dapat dibuat agak lebih dapat diprediksi dengan memvariasikan parameter eksternal secara halus.

Teorema adiabatik – pencapaian fundamental mekanika kuantum – pertama kali dirumuskan oleh Max Born dan Vladimir Fock pada awal mekanika kuantum. Teorema memastikan bahwa keadaan kuantum yang berkembang selalu tetap dekat dengan apa yang disebut keadaan eigen sesaat jika parameter eksternal berubah cukup lambat. Dalam arti tertentu, evolusi adiabatik adalah sesuatu seperti mengambil kelas siswa kelas satu dalam tur museum: Anda harus memimpin kelas Anda dengan hati-hati dan tanpa tergesa-gesa untuk memastikan bahwa pada akhir tur tidak ada yang hilang dan semua pameran utuh.

Meskipun teorema adiabatik telah disempurnakan dan ditingkatkan sejak zaman Born dan Fock, batasan utamanya adalah bahwa teorema ini hanya berfungsi untuk apa yang disebut keadaan murni tetapi tidak semua keadaan kuantum. Ini berarti bahwa itu dapat diterapkan pada sistem pada nol mutlak saja tetapi tidak pernah pada suhu yang terbatas. Dalam contoh museum kami, tur dapat berlangsung tanpa hambatan hanya jika kelasnya terdiri dari siswa A yang berperilaku baik, yang hampir tidak mungkin terjadi dalam kehidupan nyata. Sama seperti tidak ada kelas tanpa anak-anak nakal, tidak ada suhu yang benar-benar nol.

Para peneliti dari Skoltech, Steklov Mathematical Institute of RAS, dan MIPT memperluas teorema adiabatik ke sistem suhu hingga dan memperoleh kondisi kuantitatif yang memastikan adiabatik evolusi dengan akurasi tertentu. Demi ilustrasi, tim menerapkan kondisi tersebut ke beberapa sistem yang dimodelkan dan menemukan bahwa di beberapa sistem, dinamika adiabatik bahkan lebih stabil pada suhu terbatas daripada nol mutlak.

Temuan tim berkontribusi pada pengumpulan alat penelitian teoretis yang digunakan oleh ilmuwan dan insinyur kuantum. Ada keragaman yang cukup luas dari protokol adiabatik untuk mempersiapkan keadaan kuantum dengan sifat tertentu.

“Komputer kuantum adiabatik yang sepenuhnya didasarkan pada teorema adiabatik mungkin adalah contoh paling populer. D-Wave Systems Inc. di Kanada saat ini sedang mengerjakan perangkat semacam ini. Juga, persiapan adiabatik keadaan kuantum merupakan langkah awal atau tambahan dalam desain kuantum lainnya, serta simulasi dan pengukuran. Temuan kami akan membantu memilih mode operasi optimal untuk protokol adiabatik, sambil mempertimbangkan bahwa perangkat kuantum beroperasi pada suhu yang terbatas, ” Lychkovskiy menyimpulkan.

Sumber: Skoltech




Pos terkait

Tinggalkan Balasan

Alamat email Anda tidak akan dipublikasikan. Ruas yang wajib ditandai *

Situs ini menggunakan Akismet untuk mengurangi spam. Pelajari bagaimana data komentar Anda diproses.