Zelfs eenvoudige systemen bestaande uit meerdere kwantumdeeltjes kunnen niet met behulp van een klassieke computer worden beschreven of begrepen. De weg naar universele kwantumcomputers is echter nog ver weg. Het Max Planck Instituut voor Kwantumoptica in Garching (bij München) is het gelukt om aan te tonen, dat kwantumsystemen in principe te manipuleren zijn met behulp van in een val gevangen ionen.
Als model gebruikten de onderzoekers de overgang van een kwantummagneet van de para-magnetische in de ferro-magnetische toestand. Omdat het concept is uit te breiden naar grotere kwantumsystemen kunnen zulke simulaties ertoe bijdragen, dat niet verklaarde fenomenen zoals dehoge temperatuursupergeleiding beter zijn te begrijpen.
Magnetisme kan uiteindelijk op atomaire processen worden teruggevoerd: bij bepaalde elementen hebben de atomen een eigen draaiende beweging ((spin) waaraan een magnetisch moment vastzit. Hierdoor willen de atomen zich gezamenlijk richten van een ongeordende, naar buiten niet magnetische (paramagnetische) toestand, naar een strak geordende ferro-magnetische toestand. Is uitwendig ook een magneetveld aanwezig dan legt dit de polariteit van de magneten vast.
Fase-overgang
Het Max Planck Instituut testte de haalbaarheid van de kwantumsimulaties aan het voorbeeld van een zogenaamde faseovergang voor een eenvoudig systeem van twee atomaire elementaire magneten. Het principe is schijnbaar eenvoudig: men modelleert een kwantumsysteem dat niet direct toegankelijk en bestuurbaar is, met een ander systeem. Hieraan kunnen de analoge vraagstellingen nauwkeurig worden getoetst omdat het gedrag respectievelijk de eigenschappen gericht kunnen worden beïnvloed en veranderd.
In het experiment worden de beide elementair magneten vertegenwoordigd door positief geladen magnesiumionen, die zijn opgeslagen in een ‘Paul-val’ en sterk geïsoleerd van de omgeving. Zoals een elementair magneet zich kan richten naar de Noord- of Zuidpool, zo kunnen deze ionen telkens een van de twee energietoestanden innemen.
De kwantumsimulator moet zowel de wisselwerking van nabije spins als de invloed van het uitwendig magneetveld op een spin simuleren. Bij de elementair magneten legt het magneetveld een voorkeursrichting vast. De analoge invloed op de energieniveaus van de magnesiumionen bereiken de fysici met radiostraling. Een ion kan daardoor gedwongen worden tot een overgang naar het andere energieniveau. De wetenschappers simuleren de wisselwerking van beide buren op elkaar met een staande golf van twee laserstralen, die een ion, afhankelijk van zijn huidige energietoestand, aantrekt of afstoot.
Zoals de afbeelding toont, treden beide ferromagnetische fasen in gelijke waarschijnlijkheid op. Aanvullende metingen tonen aan dat de eindtoestand van het systeem een coherente schikking van de beide mogelijke ferromagnetische toestanden is. De spins zijn parallel gericht, maar wijzen allemaal gelijktijdig naar de Noord- en de Zuidpool. Deze fenomenen zijn alleen te beschrijven met de kwantummechanica.
Het experiment heeft vooral het karakter van een haalbaarheidsstudie. Er werd bewezen dat met behulp van een ionenval meervoudige kwantum simulaties zijn uit te voeren’.
De onderzoeksgroep wil met nieuwe ionenvaltechnieken grotere en uiteindelijk tweedimensionale schikkingen tot twintig keer twintig ionen realiseren. Daarmee zijn complexe systemen te simuleren en belangrijke vragen met betrekking tot vaste stof fysica te beschrijven.
