QUIONE: De innovatieve Spaanse kwantumsimulator die individuele atomen visualiseert

In een belangrijke vooruitgang voor de kwantumwetenschap hebben onderzoekers van het Instituut voor Fotonische Wetenschappen (ICFO) in Barcelona, Spanje, QUIONE ontwikkeld, de eerste atomaire kwantumprocessor van het land. Dit apparaat vertegenwoordigt niet alleen een belangrijke technologische prestatie, maar markeert ook een mijlpaal in kwantumsimulatie door zijn vermogen om individuele atomen in een kwantumgas van strontium te observeren.

De kwantumsimulator, genaamd QUIONE ter ere van de Griekse sneeuwgodin, stelt wetenschappers in staat om beelden van hoge resolutie van kwantumgassen vast te leggen, waardoor de detectie van individuele atomen mogelijk is. Deze unieke mogelijkheid maakt het een uitzonderlijke tool voor het diepgaand verkennen van de microscopische eigenschappen van materialen en kwantumfenomenen.

Onder leiding van ICFO-ICREA onderzoeker Leticia Tarruell heeft het team baanbrekend werk verricht om het strontiumgas te manipuleren en te observeren onder extreme omstandigheden van lage temperatuur, dicht benaderend het absolute nulpunt. Deze omstandigheden laten de atomen kwantumgedragingen vertonen zoals superpositie en verstrengeling, essentieel voor de simulatie van fenomenen die klassieke computers niet efficiënt kunnen oplossen.

Een van de meest opmerkelijke aspecten van QUIONE is zijn vermogen om zeer complexe systemen te simuleren en deze om te zetten in eenvoudigere modellen, wat nieuwe wegen kan openen om te begrijpen waarom sommige materialen elektriciteit geleiden zonder verlies bij relatief hoge temperaturen, een langdurig raadsel in de fysica.

De relevantie van deze ontwikkeling wordt versterkt door zijn uniciteit; QUIONE is de enige microscoop voor kwantumgassen ter wereld die beelden kan vastleggen van individuele atomen van strontium kwantumgassen, en het is het eerste in zijn soort in Spanje. Bovendien heeft het project belangrijke steun ontvangen op zowel nationaal als Europees niveau, met ondersteuning van de Koninklijke Spaanse Natuurkundige Vereniging, de BBVA Stichting, Fundación Ramón Areces, Fundación La Caixa, Fundación Cellex, en een ERC-project.

Waarom strontium? In tegenstelling tot de traditioneel gebruikte alkalimetalen in dit soort experimenten, biedt strontium meer opties voor experimentatie vanwege zijn complexe optische eigenschappen. Dit maakt het ideaal voor toepassingen in kwantumberekening en -simulatie, waar zijn atomen worden gebruikt als atomaire kwantumprocessors die in staat zijn om problemen aan te pakken die verder gaan dan de mogelijkheden van de huidige supercomputers.

Het proces van het creëren van QUIONE omvatte het koelen van strontiumatomen met lasers om hun beweging te verminderen en vervolgens deze lasers te gebruiken om een optisch netwerk te creëren dat de atomen organiseert in een regelmatig patroon. Deze opstelling maakt het mogelijk om te bestuderen hoe de atomen met elkaar interageren en de dynamiek van elektronen in materialen te simuleren.

De beelden en video’s vastgelegd door QUIONE hebben fascinerende fenomenen onthuld, zoals atomen die ‘springen’ van de ene naar de andere plaats in het optische netwerk vanwege het kwantumtunneleffect. Bovendien heeft het team deze technologie gebruikt om de aanwezigheid van superfluïditeit in het strontiumgas te bevestigen, een toestand van materie die zonder viscositeit stroomt.

Deze vooruitgang consolideert niet alleen de positie van ICFO als leider in kwantumtechnologieën, maar versterkt ook de inzet van Catalonië en Spanje in het algemeen in het stimuleren van kwantumonderzoek, waardoor QUIONE wordt gepositioneerd als een sleuteltool voor toekomstige ontdekkingen op het gebied van kwantumfysica en geavanceerde technologie.

Bron: ICFO