クォンタム リープ センターが支援する研究は、原子スケールの量子システムを使用した量子シミュレーションの分野を進歩させます。ダイヤモンドは、その完璧な光沢で珍重されることがよくありますが、物理学の助教授、Zu Chongzhi は、これらの天然結晶にさらに深い価値があると考えています。物理学で最も権威のある雑誌の 1 つである Physical Review Letters で報告されているように、ChongZu チームはダイヤモンドを量子シミュレーターに変えるという探求において重要な一歩を踏み出しました。
論文の共著者には、物理学教授のケイター・マーチ氏、博士課程の学生、何光輝氏、ルオティアン（レジナルド）・ゴン氏、劉忠元氏が含まれる。彼らの研究は量子飛躍センターによって部分的に支援されました。クォンタム リープ センターは、量子の洞察と技術を物理学、生物医学および生命科学、創薬、その他の広範な分野に応用するための芸術科学戦略計画の代表的な取り組みです。
研究者らはダイヤモンドに窒素原子を衝突させ、ダイヤモンドを変形させた。これらの窒素原子の一部は炭素原子を置換し、それがなければ完全な結晶に欠陥を生じさせます。結果として生じる空隙は、スピンと磁性を持つ電子で満たされ、その量子特性を測定し、幅広い用途に向けて操作することができます。
Zu氏と彼のチームが以前にホウ素の研究を通じて明らかにしたように、このような欠陥は、周囲の環境や相互に反応する量子センサーとして使用できる可能性がある。新しい研究では、研究者たちは別の可能性に焦点を当てました。それは、不完全な結晶を使用して、信じられないほど複雑な量子の世界を研究することです。
最先端のスーパーコンピューターを含む古典的なコンピューターは、たとえ数十個の量子粒子しか含まない量子システムであっても、量子システムをシミュレートするには不十分です。これは、量子空間の次元が粒子が追加されるたびに指数関数的に増加するためです。しかし、新しい研究は、制御可能な量子システムを使用して複雑な量子力学を直接シミュレートすることが可能であることを示しています。 「私たちは量子システムを慎重に設計し、シミュレーションを作成して実行します。最後に結果を観察します。これは古典的なコンピューターを使用して解決するのはほぼ不可能な問題です」とズー氏は語った。
この分野におけるチームの進歩は、物質の新たな段階の実現や複雑な量子系における創発現象の予測など、多体量子物理学の最も興味深い側面のいくつかを調査するのに役立つだろう。
最新の研究では、Zu 氏と彼のチームは、量子の世界では長時間となる最大 10 ミリ秒の間、システムの安定性を維持することができました。注目すべき点は、超低温で動作する他の量子シミュレーション システムとは異なり、同社のダイヤモンド システムは室温で動作することです。
量子システムを無傷に保つための鍵の 1 つは、熱化を防ぐことです。熱化とは、システムが大量のエネルギーを吸収し、すべての欠陥が固有の量子シグネチャーを失い、最終的にまったく同じに見えることを意味します。研究チームは、システムの駆動速度が速すぎてエネルギーを吸収できないため、この結果が遅れる可能性があることを発見しました。これにより、システムは比較的安定した「ウォームアップ」状態になります。
この新しいダイヤモンドベースのシステムにより、物理学者は複数の量子領域の相互作用を同時に研究できるようになります。また、より高感度な量子センサーを作成する可能性も広がります。 「量子システムが長く存在するほど、その感度は高くなります」とズー氏は語った。
Zu 氏と彼のチームは現在、Quantum Leap Center の他の UW 科学者と協力して、分野を超えて新たな洞察を獲得しています。芸術と科学の分野で、ズー氏は物理学の准教授であるエリック・ヘンリクセン氏と協力してセンサーの性能を向上させています。彼はまた、物理学の助教授である Sheng Ran の研究室で作成された量子材料をより深く理解するためにそれらを使用することも計画しています。彼はまた、地球・環境・惑星科学の教授フィリップ・スケマーと協力して岩石サンプル中の磁場を原子レベルで観察したり、物理学の助教授シャンカール・ムケルジと協力して生体細胞の熱力学を画像化したりしている。