Quantum simulators: mimicking condensed matter physics via quantum optics


Project leader


Funding source

Swedish Research Council - Vetenskapsrådet (VR)


Project Details

Start date: 01/01/2010
End date: 31/12/2013
Funding: 4004000 SEK


Description

Kvantsimulatorer: simulering av modeller inom kondenserade materians fysik via kvantoptik. Inom fysiken beskriver vi förändringar i naturen med hjälp av ett antal ekvationer. Förståelsen av dessa rörelseekvationer ligger till grund för en djupare insikt av naturen och dess egenskaper. Det traditionella angripningssättet är att lösa dess ekvationer, antingen exakt med papper och penna eller numeriskt med hjälp av en dator. Exakta lösningar är extremt sällsynta och återfinns nästan uteslutande efter att ett flertal approximationer/förenklingar har applicerats. Även numeriskt är de flesta fysikaliska system icke hanterbara, och åter igen måste approximationer göras. På atomnivå, d.v.s. om vi studerar kvantmekanik, kan systemen snabbt bli väldigt komplexa. Kan vi på något sätt överträffa dagens datorer? Ett förslag i fråga om kvantmekaniska problem gavs 1982 av fysikern Richard Feynman. Idén är den följande. Den matematiska strukturen hos rörelseekvationerna återkommer ofta från system till system. Ta t.ex. ett exempel från klassisk fysik, egenskaperna hos en ideal vattenvåg och en ideal ljudvåg kan beskrivas med samma ekvation, vågekvationen. Feynman förslog att det mest optimala sättet att beskriva ett kvantmekaniskt system är inte genom simulering på en traditionell dator utan att använda en "dator" som är kvantmekanisk i sig själv. En sådan kvantsimulator beskriver ett kontrollerbart fysikaliskt system A som besitter samma egenskaper som ett annat system B som vi, till skillnad från A, inte kan kontrollera i våra laboratorier. A och B beskrivs således av samma rörelseekvationer trots att de kan te sig väldigt olika ut vid en första anblick. Kvantsimulatorer har väckt ett enormt intresse under de senaste 5-10 åren. Ett av de mest inflytelserika experimenten var realiseringen av en kvant-fasövergång mellan en isolator till ett supraflytande tillstånd med kalla atomer i ett optiskt gitter. Denna fasövergång hade blivit studerad teoretiskt i fasta tillståndets fysik, men aldrig sedd experimentellt p.g.a. höga förluster i fasta kroppar. Atomerna, som spelar rollen som elektronerna i en kristall, kan hoppa mellan olika potential-minima och som dessutom kollidera med varandra. Under senare tid har många fler liknande experiment inom kalla atomer i optiska gitter blivit demonstrerade. Med mitt projekt vill jag teoretiskt studera både kalla atomer i optiska gitter och andra typer av kvantsimulatorer. Speciellt kommer jag att titta på system där artificiella magnetfält genereras genom att antingen rotera gasen av kalla atomer eller att studera hur de rör sig i rumsligt varierande ljus-fält. Andra effekter som möjligheten att simulera gitter-vibrationer med kalla atomer finner jag också intressant. Nyligen har jag dessutom visat att egenskaper hos kristaller kan simuleras med en ensam atom som växelverkar med ett kvantiserat fält inuti en optisk kavitet. Med detta system vill jag visa anomaliska rörelser liksom relativistiska egenskaper.

Last updated on 2017-31-03 at 12:58