Physiker binden erfolgreich die erste Quantum-Knoten


Theoretische Physiker haben voraus, daß sich seit Jahrzehnten sollte es für Knoten zu bilden in Quantenfeldern möglich sein, aber niemand konnte herausfinden, wie man dieses Kunststück experimentell. Nun hat ein internationales Forscherteam gelungen, genau das, binden von Knoten in einem suprafluiden zum allerersten Mal durch die Manipulation von Magnetfeldern zu tun.

Unter der Leitung von David Hall, einem Physiker am Amherst College und Mikko Möttönen der Aalto-Universität in Finnland, beschreibt die Gruppe ihre Pionierleistung in einem neuen Papier in Nature Physics. Es ist schwer, diese exotischen Objekten sichtbar zu machen, aber sie sind im wesentlichen Partikel-wie Ringe oder Schleifen in einem Quantenfeld genau einmal miteinander verbunden. Ein Mathematiker sollten nicht diese Strukturen zu wahren Knoten; in der Regel ist ein Knoten definiert als eine geknotete Kreis, wie eine Brezel, während ein Gummiband betrachtet würde eine "un-Knoten." Halle und Möttönen bevorzugen, ihre Strukturen als knorrigen Solitonen zu denken.

Und was ein Soliton ist, Sie Fragen sich vielleicht? Gibt es eine bestimmte Art von Reisen Welle, die mit einer konstanten Geschwindigkeit nach vorne Rollen hält, ohne seine Form zu verlieren. Das ist ein Soliton, und solche Objekte auch auftauchen in Quanten-Feldtheorie. Da schrieb ich in einem Artikel 2014 für Quanta, "Poke ein Quantenfeld und Sie erstellen eine Schwingung [Wave], die in der Regel nach außen abführt, sondern konfigurieren Sie Dinge genau richtig und die Schwingung wird seine Form zu halten" – genau wie eine Reisende Welle.

Möttönen lesen Sie mehr über die theoretischen Vorhersagen von Quanten-Knoten, und war fasziniert von der Möglichkeit. Nach ein paar Papier und Bleistift Berechnungen zu machen, er lief Computersimulationen zu zeigen, was Sie suchen in den experimentellen Daten und teamed oben mit Halls Forschungsgruppe in Amherst, seine Erkenntnisse zu testen.

David Hall (l) und Michael Ray (r) mit ihren Versuchsaufbau im Labor Amherst. Bildnachweis: Marcus DeMaio/Amherst College.

Erstens, sie brauchten ein Medium – in diesem Fall einen Quantenzustand der Materie bekannt als ein Bose-Einstein-Kondensat (BEC). Atome Verhalten sich bei normalen Temperaturen viel wie Billardkugeln, miteinander und mit Wänden abprallen. Aber sie tun so viel langsamer als die Temperatur zu senken. Erhalten die Temperatur bis auf Milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt und die Atome so dicht gepackt sind, beginnen sie, ihre individuelle Identität zu verlieren. Sie enden mit einer ultra kalt Probe der Quanten-Materie.

Physiker der ersten BECs 1995 gegründet, 70 Jahre nachdem sie zuerst vorausgesagt wurden, aber sobald sie den Trick herausgefunden – und hatte die richtige Technologie — machen BECs Routine wurde. "Jetzt ist es wie Sie Niesen und ein BEC herauskommt,", sagte Hall. Genauer gesagt, geht Quanten in Amherst/Aalto Experimente ein suprafluiden, da es keine Viskosität fließt.

Der nächste Schritt war eigentlich die Knoten über geschickte Manipulation von magnetischen Feldern. Die suprafluiden Probe ist ein Quantenfeld, am besten als eine Reihe von Punkten im Raum, jeweils mit einer bestimmten Ausrichtung vorgesehen. Denken Sie an eine Reihe von Pfeilen alle nach oben, zum Beispiel – das ist der Startzustand der suprafluiden. Wenn ein Knoten bildet, hat es einen Kern, im Wesentlichen ein Kreis von Punkten, wo die Pfeile alle nach untenzeigen. Halle vergleicht ihn mit einem Gottes Auge Garn Muster. "Wenn Sie der magnetischen Feldlinie folgte, es würde in die Mitte gehen, aber in letzter Minute würde es in einem senkrecht abziehen," sagte er. "Es ist eine besondere Art der drehen diese Pfeile, die Ihnen dieser verknüpften Konfiguration gibt."

Die Versuchsanordnung war so zart, dass sobald der Prozess gestartet, auch Bad Pausen waren verboten, wie Möttönen zu seinem Nachteil bei einem seiner Besuche im Labor entdeckt. Die geringste Bewegung von einem metallischen Objekt – wie einen Bürostuhl – könnte das Magnetfeld stören und verhindern, dass die Knoten bilden. "Wir wurden durch unsere Fähigkeit, unsere Aufmerksamkeit zu halten begrenzt", räumte Hall. "Nach einer Stunde davon, Ihren Rücken Sie tötet."

Aber all die Mühe und schmerzenden Rücken am Ende gelohnt. "Wir begannen mit absolut nichts funktioniert und wir arbeiteten mehr als im Vorjahr haben wir Ergebnisse," sagte Möttönen. Durch die Zeit, die sie fertig waren, "Es war nur eins zu eins mit den Simulationen passende." Die Gruppe hat viel geschickter zu verdrehen Knoten in Quantenfeldern seit bekommen dann selbst verwalten, Filme der Knoten nehmen sie machen.

Quanten-Knoten in einem suprafluiden. Bildnachweis: David Hall.

Die Knoten erstellt von Halle und Möttönen ähneln Rauch-Ringe, die scheint besonders geeignet, angesichts der Geschichte der Knotentheorie in Physik und Mathematik. Im 19. Jahrhundert durchgeführt schottische Physiker Peter Tait eine Reihe von Experimenten mit Rauch-Ringe. William Thomson (Lord Kelvin) fiel auf, wie diese Ringe bilden und stabil genug, ziemlich weit reisen quer durch den Raum vor dem zerstreuen konnte. Tait beschrieben sie als, seiend wie "Ringe aus Vollgummi Indien."

Es inspiriert Thomson, eine Theorie zu entwickeln, dass Atome Knoten in den wirbelnden wirbeln von einem Medium dann den Lichtäther genannt wurden. Damals glaubte man, dass dieser Äther vorhanden sein muss, um das seltsame Verhalten des Lichts zu erklären. Eine ideale Flüssigkeit mit keine Reibung (null Viskosität) würden solche Ringe stabil, und der Äther wurde konzipiert als eine ideale Flüssigkeit, ähnlich wie die suprafluiden in Amherst/Aalto Experimente verwendet. Verschiedene Arten von Knoten würde beziehen sich auf verschiedene Arten von Atomen – Wasserstoff oder Sauerstoff, zum Beispiel. Tait erstellt auch eine Klassifizierung der Arten von Knoten, Versuch, seine eigene Version des Periodensystems der Elemente zu erstellen.

Es war nicht richtig, natürlich: vom Beginn des 20. Jahrhunderts, hatte Experimente bestätigt, dass gibt es keine solche Sache wie den Luminferous Äther, und ohne sie, die Theorie funktioniert nicht. Aber einige Physiker betrachten Wirbel Knotentheorie original String-Theorie sein.

Eine der offenen Fragen ist, was passiert mit den Quanten-Knoten im Laufe der Zeit. Die Knoten sind topologisch stabil: im Gegensatz zu den Knoten wir in Seilen oder Schnürsenkel binden, topologisch stabiler Knoten dürfen nicht ungebundene ohne Schneiden Sie das Seil, obwohl Sie die Knoten in das Seil zu verlagern. Ebenso können die Quanten-Knoten in Amherst/Aalto Experimente ohne die Ringe getrennt werden. "Es kann nicht un-Knoten selbst; Es steckt in welchem seltsame Art und Weise zusammen [im suprafluiden], verdreht worden ist ", sagte Hall.

Die einzige Möglichkeit, die der Bund fürs Leben seiner topologische Gefängnis zu entkommen, ist zu schrumpfen, was sollte er im Laufe der Zeit machen weil es versuchen wird, seine Energie zu minimieren, ähnlich wie eine Kugel Rollen bergab, seine potenzielle Energie zu minimieren will. So können dieser Knoten nicht dynamisch stabil sein.

Halle möchten vor allem herausfinden, ob der Knoten seine suprafluiden Medium länger als kann. "Wenn ja, dann es effektiv stabil", sagte er. "Aber wenn die suprafluiden um hängt und der Knoten aus der Existenz zwinkert, dann eindeutig dynamisch instabil ist und das wäre traurig, denn dann es schwer ist zu studieren."

Dies ist sehr Grundlagenforschung, so realen Anwendungen weit in der Zukunft. Halle gerne des wissenschaftlichen Fortschritts als Pyramide, mit Grundlagenforschung an der Basis denkt.

"Jede höhere Gruppe [angewandte Physiker und Ingenieure, zum Beispiel] ist Dinge aus der darunterliegenden herauszupicken und setzen sie zusammen auf neue Art und Weise," sagte er. "Sie bekommen Ihre Consumer-Produkte an der Spitze der Pyramide, aber Sie einfach nicht wissen, an der Basis, was schließlich nützlich sein wird."

Das heißt, Möttönen glaubt, dass die Arbeit ein gutes Prinzip für Physiker Interesse an der Entwicklung von topologischen Quantencomputern nachweisen könnte. Eine solches Design würde Qubits zu einer Art Knoten Flechten; verschiedene Arten von Flechten würde verschiedene Rechenaufgaben codieren, und diese Strukturen topologisch stabil sein würde. "Das Ergebnis nicht auf die Positionen von diesen Dingen abhängig ist", sagte Möttönen. "Wenn Sie sie ein wenig bewegen, spielt es keine Rolle [ein solcher Computer] soll wirklich robust gegen alle Fehler,."

Das Design ist immer noch sehr in den Kinderschuhen, aber es ist vielversprechend genug, dass Microsoft ist die Zusammenarbeit mit dem Physiker Charles Marcus (jetzt an der Universität von Kopenhagen), unter anderem, um das Projekt zu verwirklichen.

Was wäre wirklich interessant ist, wenn die Amherst/Aalto-Gruppe gelingt, kompliziertere Quanten-Knoten zu erstellen. Vielleicht gibt es eine ganze Klasse von diesen Objekten, ähnlich wie das Diagramm des realen Knoten zusammengestellt von Tait im 19. Jahrhundert. Für Halle und Möttönen ist dies nur der Anfang der Geschichte.

[Nature Physics]

Bild oben: Visualisierung eines Quanten-Knotens. Bildnachweis: David Hall. Bild unten: Mikko Mottenen. Bildnachweis: Heikki Jantunen/Unigrafia.

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