Large-scale quantum simulations of dissipative spin-1/2 Heisenberg chains

In de stille hoekjes van het universum staat materie zelden perfect stil. Zelfs wanneer een systeem kalm lijkt, is het vaak in een constante, subtiele strijd tussen zijn eigen interne regels en de chaotische invloed van zijn omgeving. Wanneer een verzameling minuscule deeltjes, zoals de spins van atomen, interageert met een luidruchtige omgeving, vervalt het niet simpelweg in een vredige, voorspelbare staat zoals in een perfect geïsoleerd vacuüm. In plaats daarvan kan het relaxeren naar een unieke, stabiele conditie die alleen bestaat dankzij deze constante wrijving en energieverlies. Dit is een staat van "niet-evenwicht", een dynamisch evenwicht waarin orde kan ontstaan uit chaos op manieren die onmogelijk zijn in een gesloten systeem. Decennialang hebben wetenschappers geprobeerd de regels in kaart te brengen die deze toestanden beheersen, met name voor ketens van magnetische atomen, maar de bijbehorende wiskunde is zo ongelooflijk complex dat zelfs de krachtigste supercomputers moeite hebben gehad om de antwoorden te vinden. Het probleem is dat het beschrijven van hoe deze systemen energie verliezen, niet alleen het volgen van de deeltjes vereist, maar ook de waarschijnlijkheid van elke mogelijke configuratie waarin ze zich zouden kunnen bevinden, een taak die exponentieel moeilijker wordt naarmate het systeem groter wordt.

Een team van onderzoekers heeft nu een ander soort machine ingezet om dit puzzelstuk op te lossen: een kwantumcomputer. In tegen tegenstelling tot klassieke computers die informatie verwerken op een lineaire, stapsgewijze manier, gebruiken kwantumcomputers de vreemde eigenschappen van de kwantummechanica om andere kwantumsystemen direct te simuleren. In een recente studie gebruikten wetenschappers een supergeleidende kwantumprocessor om een lange keten van vijftig magnetische atomen te simuleren die interageert met een luidruchtige omgeving. Ze waren in staat om te zien hoe deze keten in de loop van de tijd evolueerde en uiteindelijk een stabiele toestand bereikte. Door de simulatie te draaien op een apparaat met tot wel honderd actieve kwantumbits, brachten ze een gedetailleerd landschap in kaart van hoe deze systemen zich onder verschillende omstandigheden gedragen. Hun werk onthult een rijke en verrassende wereld van magnetische patronen, waarbij laat zien dat de stabiele toestanden gevormd door deze ketens veel complexer en gevarieerder zijn dan eerdere theorieën hadden voorspeld.

De onderzoekers concentreerden zich op een specifiek model van magnetische atomen gerangschikt in een lijn, waarbij elk atoom interageeert met zijn buren en tegelijkertijd energie verliest aan de omringende omgeving. In het verleden vertrouwden wetenschappers op vereenvoudigde theorieën die ervan uitgingen dat elk atoom slechts de gemiddelde invloed van zijn buren voelde, vergelijkbaar met een persoon in een menigte die alleen reageert op de algemene stemming in plaats van op individuele gesprekken. Deze vereenvoudigde modellen voorspelden een specifieke set magnetische gedragingen, inclusief patronen waarbij alle spins in dezelfde richting wijzen, patronen waarbij ze afwisselen, en een gedesorganiseerde staat waarbij ze willekeurig wijzen. Deze theorieën verschilden echter vaak van elkaar wanneer ze op grotere systemen werden toegepast, en niemand kon definitief zeggen welk beeld correct was omdat de berekeningen te zwaar waren voor traditionele computers.

Om deze beperkingen te omzeilen, programmeerden de onderzoekers een kwantumprocessor om de fysica van het systeem stap voor stap uit te voeren. Ze simuleerden een keten van vijftig locaties, wat honderd kwantumbits vereiste om zowel de atomen als de omgeving waarmee ze interageren te representeren. De simulatie draaide gedurende een lange duur, waardoor het systeem kon evolueren totdat het een stabiele conditie bereikte. Een cruciaal inzicht uit dit werk is dat de aard van het systeem zelf helpt de simulatie te beschermen tegen fouten. Omdat het systeem voortdurend energie verliest aan zijn omgeving, vergeet het van nature de fouten die tijdens de berekening optreden. De ruis van de hardware werkt als een zwakke, concurrerende kracht die de uiteindelijke toestand licht verschuift, maar de onderliggende magnetische patronen niet verstoort. Dit zelfcorrigerende kenmerk stelde de onderzoekers in staat om de simulatie diep genoeg te draaien om het ware gedrag van het systeem te zien, zelfs op hardware die nog niet perfect is.

De resultaten schetsen een gedetailleerd beeld van de magnetische fasen die in dit systeem ontstaan. De onderzoekers maten hoe de spins op verschillende punten langs de keten met elkaar gecorreleerd waren, zoekend naar specificaties patronen die verschillende soorten magnetische orde aangeven. Ze vonden duidelijk bewijs van ferromagnetische staten, waarbij de spins in dezelfde richting uitlijnen, en antiferromagnetische staten, waarbij ze afwisselen. Ze observeerden ook een complexer patroon bekend als een spin-dichtheidsgolf, waarbij de magnetische orde geleidelijk langs de keten verschuift. Misschien wel het meest verrassend was dat ze ontdekten dat de gedesorganiseerde, willekeurige staat die oudere theorieën voorspelden, in dit systeem eigenlijk zeer beperkt is. In plaats van een groot centraal gebied van wanorde, neigt het systeem zich te organiseren in deze diverse geordende patronen, waarbij de willekeurige staat slechts verschijnt in een smalle strook waar de interacties tussen de atomen perfect in evenwicht zijn.

De studie onthulde ook een subtiel artefact van de simulatiemethode zelf. In de hoeken van de kaart waar de interacties tussen de atomen zeer sterk zijn, detecteerden de onderzoekers de opkomst van een nieuw, beginnend patroon dat niet deel uitmaakte van het oorspronkelijke model dat zij beoogden te bestuderen. Dit patroon ontstond door de manier waarop de simulatie werd opgedeeld in kleine tijdstappen, een noodzakelijk compromis in digitale kwantumcomputing. In plaats van dit als een gebrek te beschouwen, erkenden de onderzoekers dat deze "Trotter-geïnduceerde" effecten effectief nieuwe soorten interacties aan het systeem toevoegden. Dit suggereert dat wetenschappers, door de simulatiestappen zorgvuldig te controleren, specifieke magnetische fasen kunnen creëren die anders moeilijk te maken zijn, waardoor een potentiële bron van fouten wordt omgevormd tot een instrument voor ontdekking.

Door gegevens te verzamelen van eenentwintig verschillende punten over het bereik van mogelijke interacties, construeerde het team een uitgebreid fasediagram dat dient als een nieuwe benchmark voor het vakgebied. Hun bevindingen beslechten grotendeels de langdurige onzekerheid over hoe deze dissipatieve systemen zich gedragen, waarbij ze laten zien dat de realiteit een landschap is van overgangen tussen verschillende geordende staten in plaats van scherpe, duidelijke grenzen. Dit werk demonstreert dat kwantumcomputers volwassen zijn geworden tot het punt waarop ze wetenschappelijke vragen kunnen aanpakken die voorheen buiten bereik lagen, met name die die te maken hebben met systemen die voortdurend interageren met hun omgeving. Het biedt een blik op een toekomst waarin deze machines ons kunnen helpen de complexe, luidruchtige en dynamische aard van de kwantumwereld te begrijpen, waarbij we verder gaan dan geïdealiseerde scenario's om de rommelige realiteit te verkennen van hoe materie zich daadwerkelijk gedraagt.