量子漫步的美好一天

大阪大学量子信息与量子生物学中心的研究人员使用被困离子来证明振动量子的扩散是量子随机游走的一部分。这项工作依赖于它们使用激光对单个离子的精确控制,并且可以导致对生物系统进行新的量子模拟。

这是一个简单的游戏,您可以与一群朋友一起玩。每个人都肩并肩排好队,然后每个人都掷硬币以决定天气要向前还是向后退。经过几轮超越后,您会发现您的整齐的线会随机散开。尽管这个游戏听起来很简单,但是科学家发现这些“随机游走”对于解释从分子扩散到统计和概率问题的各种现象非常有用。

量子力学的非常怪异的特征-控制像单个Atom这样的小物体的行为的物理定律-是随机性和可预测性的令人惊讶的混合。尤其是,在某个位置发现粒子的可能性会随着时间的流逝而发生可预测的分布,就像矿池塘中的瑞波币一样,但是当您实际进行测量时,却存在固有的不确定性。这使得量子随机游走与传统的随机游走从根本上不同。与在室内扩散的气体分子不同,量子随机游走的波会干扰自身,从而产生独特的振荡模式。

大阪大学的科学家首先通过用激光俘获一排四个钙离子来制造人造晶体。离子仍然可以通过其电荷相互影响。然后,研究小组表明,可以通过在其上照射单独的激光来使一个离子振动。

这种称为声子的最小可能振动起着一包能量的作用,可以传递给相邻的离子。正如第一作者Masaya Tamura解释的那样,“通过利用准备和观察局部声子的能力,可以单点分辨率观察到它在四离子线性晶体中的传播。”通过等待长达10毫秒的各种时间长度,测得的声子位置符合理论预测。

“我们的使用声子的系统提供了一个平台,用于实现量子模拟,以研究化学和生物学中的开放性问题,”资深作者Ken田健二说。 “例如,据推测,令人难以置信的光合作用效率高达95%,至少部分取决于这样一个事实,即量子随机游走与经典随机游走相比具有不同的作用。此处显示的系统也许能够解决这些以及其他重要问题问题。”

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