Dijamanti su često cenjeni zbog svog besprekornog sjaja, ali Čong Zu, docent fizike u oblasti umetnosti i nauke na Vašingtonskom univerzitetu u Sent Luisu, vidi dublju vrednost u ovim prirodnim kristalima. Kako je objavljeno u Phisical Reviev Letters, Zu i njegov tim su napravili veliki korak napred u potrazi za pretvaranjem dijamanata u kvantni simulator.
Koautori rada su Kater Murch, profesor fizike Charles M. Hohenberg i dr. studenti Guanghui He, Ruotian (Reginald) Gong i Zhongiuan Liu. Njihov rad je delimično podržan od strane Centra za kvantne skokove, potpisne inicijative strateškog plana za umetnost i nauku koja ima za cilj da primeni kvantne uvide i tehnologije na fiziku, biomedicinu i nauke o životu, otkrivanje lekova i druga dalekosežna polja.
Istraživači su transformisali dijamante bombardujući ih atomima azota. Neki od tih atoma azota pomeraju atome ugljenika, stvarajući nedostatke u inače savršenom kristalu. Nastale praznine su ispunjene elektronima koji imaju sopstveni spin i magnetizam, kvantna svojstva koja se mogu meriti i manipulisati za širok spektar primena.
Kao što su Zu i njegov tim ranije otkrili kroz studiju bora, takvi nedostaci bi se potencijalno mogli koristiti kao kvantni senzori koji reaguju na svoje okruženje i jedni na druge. U novoj studiji, istraživači su se fokusirali na još jednu mogućnost: korišćenje nesavršenih kristala za proučavanje neverovatno komplikovanog kvantnog sveta.
Klasični računari (uključujući najsavremenije superkompjutere) su neadekvatni za simulaciju kvantnih sistema, čak i onih sa samo desetak kvantnih čestica. To je zato što dimenzije kvantnog prostora rastu eksponencijalno sa svakom dodanom česticom. Ali nova studija pokazuje da je izvodljivo direktno simulirati složenu kvantnu dinamiku koristeći upravljivi kvantni sistem.
„Pažljivo konstruišemo naš kvantni sistem da kreiramo simulacioni program i pustimo ga da radi“, rekao je Zu. „Na kraju, posmatramo rezultate. To je nešto što bi bilo gotovo nemoguće rešiti korišćenjem klasičnog računara.“
Napredak tima u ovoj oblasti omogućiće istraživanje nekih od najuzbudljivijih aspekata kvantne fizike mnogih tela, uključujući realizaciju novih faza materije i predviđanje pojavnih pojava iz složenih kvantnih sistema.
U najnovijoj studiji, Zu i njegov tim su uspeli da održe svoj sistem stabilnim do 10 milisekundi, što je dug vremenski period u kvantnom svetu. Izvanredno, za razliku od drugih sistema kvantnih simulacija koji rade na ultra-hladnim temperaturama, njihov sistem izgrađen od dijamanata radi na sobnoj temperaturi.
Jedan od ključeva za održavanje kvantnog sistema netaknutim je sprečavanje termalizacije, tačke u kojoj sistem apsorbuje toliko energije da sve mane gube svoje jedinstvene kvantne karakteristike i na kraju izgledaju identično. Tim je otkrio da bi mogli da odlože ovaj ishod tako što će pokrenuti sistem tako brzo da nema vremena da apsorbuje energiju. Ovo ostavlja sistem u relativno stabilnom stanju „pretermalizacije“.
Novi sistem zasnovan na dijamantu omogućava fizičarima da proučavaju interakcije više kvantnih regiona odjednom. Takođe otvara mogućnost za sve osetljivije kvantne senzore. „Što duže živi kvantni sistem, veća je osetljivost“, rekao je Zu.
Zu i njegov tim trenutno sarađuju sa drugim VashU naučnicima u Centru za kvantne skokove kako bi stekli nove uvide u različite discipline. U okviru Arts & Sciences, Zu radi sa Erikom Henriksenom, vanrednim profesorom fizike, na poboljšanju performansi senzora. Takođe planira da koristi ove senzore da bolje razume kvantne materijale stvorene u laboratoriji Šeng Rana, docenta fizike.
Takođe sarađuje sa Filipom Skemerom, profesorom nauka o Zemlji, životnoj sredini i planetarnim naukama, kako bi dobio pogled na magnetna polja u uzorcima stena na atomskom nivou; i sa Shankarom Mukherjijem, docentom fizike, za snimanje termodinamike u živim biološkim ćelijama.
