Magnetic Memory and Hysteresis from Quantum Transitions: Theory and Experiments on Quantum Annealers

Al bijna een eeuw gebruiken wetenschappers een eenvoudige test om te begrijpen hoe materialen hun verleden onthouden. Door een magnetisch veld op een stuk ijzer aan te leggen en dit vervolgens langzaam om te keren, observeren ze een vertraging: het materiaal verandert zijn magnetische richting niet onmiddellijk wanneer de externe kracht verandert. In plaats daarvan biedt het weerstand en houdt het de oorspronkelijke oriëntatie vast totdat de tegenovergestelde kracht sterk genoeg is om de grip te verbreken. Dit fenomeen, bekend als hysteresis, is de reden waarom magneten gegevens kunnen opslaan en waarom bepaalde materialen zich als geheugenapparaten gedragen. In de klassieke wereld van de alledaagse fysica is dit gedrag goed begrepen en berust het op het bestaan van stabiele magnetische regio's die verandering weerstaan. Zonder de extra dimensie om complexe, stabiele structuren te creëren, zouden deze lijnen echter in een eendimensionale lijn van magnetische atomen onmiddellijk en perfect moeten meedraaien met het aangelegde veld, zonder enig geheugen te vertonen, aangezien de wetten van de klassieke fysica stellen dat dergelijke weerstand onmogelijk zou moeten zijn.

Dit creëert een puzzelende situatie voor de moderne fysica. Onderzoekers zijn er onlangs mee begonnen om krachtige quantumcomputers te gebruiken, specifiek apparaten die zijn ontworpen voor complexe optimalisatieproblemen, om magnetische materialen te simuleren. Deze machines werken op temperaturen nabij het absolute nulpunt en maken gebruik van de vreemde regels van de quantummechanica, waarbij deeltjes in meerdere toestanden tegelijk kunnen bestaan en door barrières kunnen tunnelen. Omdat deze quantum-systemen zijn ontworpen om uit "vastgelopen" toestanden te ontsnappen en snel de beste oplossing te vinden, werd verwacht dat ze juist de geheugeneffecten die hysteresis veroorzaken, zouden elimineren. Toch, toen wetenschappers experimenten uitvoerden op deze machines, zagen ze het tegenovergestelde. Zelfs in eendimensionale lijnen van duizenden quantumbits weigerde het systeem onmiddellijk om te draaien. Het vertoonde een hardnekkige weerstand, een duidelijk geheugen van zijn vorige staat, en een vertraging die de klassieke verwachtingen tartte. Deze ontdekking suggereert dat quantummechanica, in plaats van het geheugen te wissen, geheel nieuwe soorten geheugen kan creëren.

In een nieuwe studie zette een team onderzoekers van het Los Alamos National Laboratory zich in om dit verrassende gedrag te begrijpen. Ze gebruikten drie verschillende generaties D-Wave quantum annealers, gespecialiseerde computers die duizenden supergeleidende qubits bevatten. De onderzoekers programmeerden deze machines om te fungeren als lange ringen van magnetische spins, waarvan sommige tot wel 4.906 individuele eenheden bevatten. Vervolgens legden ze een magnetisch veld aan dat van richting veranderde, wat de klassieke hysteresis-test nabootste. De resultaten waren opmerkelijk. Zelfs in de eendimensionale ringen, waar de klassieke fysica geen weerstand voorspelt, vertoonde het quantum-systeem een duidelijke "coerciviteit", een maatstaf voor hoe moeilijk het is om de magnetisatie om te keren. Het systeem draaide niet alleen om; het aarzelde, waardoor een lus in de gegevens ontstond die bewees dat het zijn vorige oriëntatie onthield. Dit geheugen bleef bestaan, zelfs in regimes waar de klassieke theorie stelt dat dit verboden is.

Om te verklaren hoe dit gebeurt, ontwikkelde het team een nieuw theoretisch kader dat twee verschillende manieren combineert om naar het probleem te kijken. Ze realiseerden zich dat het systeem zich gedraagt als een hybride van een quantummachine en een klassieke machine. Aan de quantumzijde ondergaat het systeem snelle, discrete sprongen tussen energietoestanden, vergelijkbaar met een deeltje dat door een muur tunnelt. Aan de klassieke zijde gedraagt het systeem zich, zodra deze sprongen plaatsvinden, als een verzameling bewegende grenzen, of "domeinwanden", die regio's met verschillende magnetische uitlijning scheiden. De onderzoekers ontdekten dat het geheugeneffect voortkomt uit de wisselwerking tussen deze twee processen. De quantum-sprongen creëren aangeslagen toestanden die niet de laagste energietoestand zijn, en de beweging van de domeinwanden bepaalt hoe snel het systeem terug kan relaxeren naar een stabiele toestand. Omdat het systeem enige tijd in deze aangeslagen toestanden gevangen blijft, kan het niet onmiddellijk omdraaien, wat de geobserveerde vertraging veroorzaakt.

De studie bevestigde dat dit gedrag niet slechts een foutje in de hardware is, maar een echt fysisch fenomeen. De onderzoekers observeerden specifieke kenmerken die alleen een quantum-systeem zou kunnen produceren, zoals een tijdelijke negatieve respons op het magnetische veld en niet-monotone omkeringen, waarbij de magnetisatie heen en weer springt in een complex patroon voordat deze tot rust komt. Deze kenmerken werden gereproduceerd in hun computersimulaties, die een methode gebruikten die afwisselt tussen het berekenen van exacte quantumtransities en het modelleren van de beweging van magnetische grenzen. De simulaties kwamen bijna perfect overeen met de experimentele gegevens van de quantum annealers, waarbij zowel de vorm van de hysteresis-lussen als de manier waarop het geheugeneffect veranderde bij een wijziging van de snelheid van de veldverandering nauwkeurig werden vastgelegd.

Een van de belangrijkste bevindingen is dat dit quantumgeheugen verschilt van het thermische geheugen in gewone materialen. In een standaardmagneet helpt warmte het materiaal om om te draaien. In deze quantumexperimenten blijft het geheugen bestaan, zelfs wanneer het systeem zo koud is dat thermische fluctuaties verwaarloosbaar zijn. In plaats daarvan wordt het geheugen gedreven door de strijd tussen de snelheid waarmee het magnetische veld wordt veranderd en de natuurlijke energiekloof tussen de quantumtoestanden. Als het veld te snel wordt veranderd, kan het systeem het niet bijbenen en komt het vast te zitten in een hoogenergetische toestand. Als het langzamer wordt veranderd, heeft het systeem de tijd om te relaxeren. De onderzoekers ontdekten dat ze door de sterkte van de quantumkrachten en de snelheid van de verandering aan te passen, de omvang van het geheugeneffect konden controleren, waardoor ze de hysteresis-lus naar believen konden verkleinen of vergroten.

Het team onderzocht ook hoe de grootte van het systeem dit gedrag beïnvloedt. Ze testten ringen variërend van slechts vier qubits tot bijna vijf duizend. In de kleinste systemen waren de quantum-effecten het meest uitgesproken, maar het geheugeneffect bleef robuust, zelfs in de grootste ringen. Dit suggereert dat het fenomeen geen anomalie op kleine schaal is, maar een fundamentele eigenschap van hoe quantum-systemen evolueren wanneer ze uit evenwicht worden gebracht. De onderzoekers merkten op dat het gedrag in tweedimensionale rasters anders was, met sterkere magnetische ordening en grotere velden die nodig waren om de spins om te keren, wat consistent is met wat bekend is over klassieke magneten. Echter, de eendimensionale ringen bleven het meest verrassend, omdat ze een niveau van weerstand vertoonden dat de klassieke fysica volgens hen niet zou mogen bestaan.

Dit werk vestigt de status van quantum annealers als krachtige instrumenten voor het bestuderen van niet-evenwichtsdynamica, een vakgebied dat gaat over hoe systemen zich gedragen wanneer ze worden voortgestuwd en getrokken in plaats van in een rusttoestand te verkeren. Door aan te tonen dat deze machines programmeerbaar geheugen kunnen vertonen, hebben de onderzoekers een nieuwe weg geopend voor het verkennen van hoe quantum-systemen informatie verwerken en geschiedenis vasthouden. De mogelijkheid om deze effecten te observeren en te controleren in een programmeerbaar apparaat betekent dat wetenschappers nu theorieën over quantumgeheugen en faseovergangen kunnen testen op een manier die voorheen onmogelijk was. De studie beweert niet alle mysteries van het quantummagnetisme te hebben opgelost, maar biedt een helder, experimenteel geverifieerd beeld van hoe geheugen kan ontstaan uit de chaotische dans van quantumtransities en de beweging van domeinwanden.

De implicaties van deze bevindingen strekken zich uit buiten de specifieke machines die in het experiment zijn gebruikt. Het hybride model dat de onderzoekers hebben ontwikkeld, dat quantumcalculaties mengt met klassieke beschrijvingen van bewegende grenzen, biedt een nieuwe manier om complexe magnetische materialen te simuleren. Deze aanpak kan wetenschappers helpen bij het ontwerpen van betere magnetische opslagapparaten of bij het begrijpen van het gedrag van exotische materialen die niet in standaardcategorieën passen. Belangrijker nog is dat het benadrukt dat quantumcomputers niet alleen snellere rekenmachines zijn; het zijn unieke laboratoria waar de fundamentele wetten van de fysica getest en gemanipuleerd kunnen worden. De observatie van hysteresis in een eendimensionaal quantum-systeem dient als een herinnering dat de natuur vaak verrassingen inhoudt die onze meest fundamentele aannames uitdagen, en dat de grens tussen de quantumwereld en de klassieke wereld veel poreuzer is dan voorheen gedacht.

De onderzoekers concludeerden dat het geheugen dat in deze experimenten werd waargenomen een echt quantum-effect is, voortkomend uit de specifieke manier waarop het systeem tussen toestanden overgaat en relaxeert. Ze sloten de mogelijkheid uit dat de resultaten simpelweg te wijten waren aan warmte of klassieke ruis, aangezien het gedrag standhield onder omstandigheden waarin die factoren verwaarloosbaar zouden moeten zijn. In plaats daarvan is het geheugen een direct gevolg van het onvermogen van het systeem om zich onmiddellijk aan te passen aan het veranderende magnetische veld, een vertraging veroorzaakt door de eindige tijd die nodig is voor quantumtransities en de daaropvolgende herordening van de magnetische domeinen. Dit werk biedt een concreet voorbeeld van hoe quantummechanica collectieve gedragingen kan voortbrengen die klassieke materialen evenaren, en in sommige gevallen zelfs overtreffen. Het suggereert dat het begrijpen en benutten van deze quantumgeheugeneffecten ons in staat kan stellen nieuwe soorten computer- en sensortechnologieën te ontwikkelen die opereren op principes die we pas net beginnen te begrijpen.