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大阪大学在量子漫步方面获得突破,或产生新的量子模拟平台
发表于:2020-06-04 05:41 分享至:

大阪大学量子信息与量子生物学中心的研究人员利用被捕获的离子来演示振动量子作为量子随机漫步的一部分扩散。这项工作依赖于他们使用激光对单个离子的精细控制,这可能会导致对生物系统的新的量子模拟。

这就像一个简单的游戏,你可以和一群朋友一起玩。每个人肩并肩地排成一行,然后每个人掷硬币决定向前还是向后迈一步。在几轮翻转之后,你会发现你的整齐线条将随机展开。虽然这个游戏听起来很简单,但科学家发现,这些“随机漫步”对于解释分子扩散到统计和概率问题的各种现象是非常有用的。

在量子力学非常奇怪的特征中,控制像单个原子这样的小物体行为的物理定律是随机性与可预测性的令人惊讶的混合。特别是,当在某个特定位置发现粒子的概率随着时间的推移呈可预测的分布时,就像池塘中的涟漪一样,但当你实际进行测量时,又存在着内在的不确定性。这使得量子随机漫步与传统漫步有着根本的不同。不像气体分子在房间里散开,量子随机漫步的波会干扰自身,产生一种独特的振荡模式。

大阪大学的科学家们首先用激光捕获一排四个钙离子,制造出一种人造晶体。这些离子仍然可以通过它们的电荷相互影响。然后,研究小组证明,他们可以通过单独的激光照射一个离子来启动它的振动。

这种最小的可能振动称为声子,其作用就像一个能量包,可以传递给邻近的。正如第一作者Masaya Tamura所解释的,“通过利用制备和观察局域声子的能力,可以用单点分辨率观察到它在四离子线性晶体中的传播。通过等待10毫秒的不同时间,测量到的声子位置与理论预测相符。”

使用声子的系统为实现量子模拟提供了一个平台,它也可以用于研究化学和生物学中的开放性问题。例如,有人假设,光合作用中令人难以置信的95%效率至少部分地取决于量子随机漫步与经典随机行为的不同。此处显示的系统可能能够解决这些和其他重要问题。