Однако уже более 100 лет известно, что перевернутый маятник можно стабилизировать, вибрируя точку поворота. Это неинтуитивное явление, известное как динамическая стабилизация, привело к широкому спектру приложений, включая ловушки заряженных частиц, масс-спектрометры и ускорители частиц высоких энергий.
Квантовые системы многих тел также могут быть помещены в неустойчивые неравновесные состояния, и, как перевернутый маятник классической физики, они обычно эволюционируют в сторону от этих состояний. Теперь исследователи из Технологического института Джорджии продемонстрировали способ поддержания нестабильной квантовой системы с помощью всплесков микроволнового излучения — квантового аналога вибрации перевернутого маятника.
В эксперименте, который может иметь значение для квантовых компьютеров и квантовых симуляторов, исследователи использовали микроволновые импульсы различной амплитуды и частоты для управления квантовой системой, состоящей из облака примерно из 40 000 атомов рубидия, охлажденных почти до абсолютного нуля.Исследование, спонсируемое Национальным научным фондом и опубликованное 27 августа в журнале Physical Review Letters, экспериментально продемонстрировало динамическую стабилизацию неравновесной квантовой системы многих тел.
Планируется, что газета выйдет в печатном номере журнала 30 августа.«В этой работе мы продемонстрировали, что можем управлять квантовой динамикой облака атомов, чтобы поддерживать их в неравновесной конфигурации, аналогичной перевернутому маятнику», — сказал Майкл Чепмен, профессор Физической школы Джорджии. «То, что мы на самом деле контролируем, — это внутренние спины атомов, которые придают каждому атому небольшой магнитный момент. Спины ориентированы во внешнем магнитном поле против их воли, так что они предпочли бы изменить свою ориентацию в положение равновесия».
Математически состояние атомов рубидия практически идентично состоянию простого механического маятника, а это означает, что Чепмен и его ученики контролировали то, что можно было бы назвать «квантовым перевернутым маятником».В своем эксперименте исследователи начали с атомного конденсата Бозе-Эйнштейна со спином 1 (БЭК), который инициализируется в нестабильной фиксированной точке спин-нематического фазового пространства — сравнимо с перевернутым маятником.
Если позволить свободно развиваться, взаимодействия между атомами вызовут сжатие, квантовое перемешивание спинов и, в конечном итоге, релаксацию до стабильного состояния — сравнимо с маятником, свисающим прямо вниз из точки поворота.Периодически применяя всплески микроволнового излучения, исследователи вращали спин-нематические многочастичные флуктуации, останавливая сжатие и релаксацию в направлении стабильности.
Исследователи исследовали диапазон периодов импульсов и фазовых сдвигов, чтобы составить диаграмму стабильности, которая хорошо согласуется с тем, что они ожидали теоретически.«Конечный результат состоит в том, что система многих тел в основном возвращается в исходное состояние», — сказал Чепмен. «Мы обращаем сжатие конденсата вспять, и после того, как он снова эволюционирует в сторону сжатия, мы заставляем его возвращаться.
Если мы будем делать это периодически, мы сможем поддерживать конденсат Бозе-Эйнштейна в этой нестабильной точке на неопределенный срок».Техника управления отличается от активной обратной связи, которая измеряет направление, в котором движется система, и применяет силу, противоположную этому направлению. Техника разомкнутого цикла, используемая группой Чепмена, применяет постоянный ввод, который не меняется в зависимости от активности контролируемой системы.«Мы периодически пинаем систему, чтобы поддерживать ее в том состоянии, в котором она не хочет находиться», — сказал он. «Это первый раз, когда мы смогли создать систему вращения многих тел, которую мы можем стабилизировать против ее естественной эволюции».
Управление и манипулирование одночастичными квантовыми системами или простыми коллекциями атомов, электронов и фотонов было в центре внимания физического сообщества в последние десятилетия. Эти возможности легли в основу таких технологий, как лазеры, магнитно-резонансная томография, атомные часы и новые атомные датчики для магнитных полей и инерциального наведения.
Теперь исследователи изучают более сложные системы, которые включают в себя множество дополнительных взаимодействующих частиц, возможно, тысячи из них. Чепмен и его группа надеются помочь расширить свои знания об этих более сложных системах многих тел, что может привести к развитию квантовых вычислений, квантового моделирования и улучшенных измерений.«Долгосрочная цель нашей работы — углубить понимание квантовой механики и разработать новые технологии, которые используют часто противоречащие интуиции реальности квантового мира», — сказал Чепмен. «Квантовые системы многих тел активно исследуются, и одна из вещей, которые вы хотели бы сделать, — это иметь возможность управлять ими.
Я думаю, что это один из самых чистых примеров способности управлять квантовой системой многих тел в мире. явно нестабильная конфигурация ".Помимо Чепмена, другими соавторами статьи являются Т. Хоанг, К.С. Гервинг, Б.Дж. Лэнд, М. Анкес и К.Д.
Хэмли.