Kvantsimulatorer används för att studera några av naturens mest komplicerade system – från kemiska reaktioner till framtidens material. Men de flesta simuleringar har haft en viktig begränsning: de har i praktiken bara kunnat köras vid nästan absolut noll eller vid okontrollerat höga temperaturer.
Nu har forskare vid Rice University utvecklat en ny metod som gör det möjligt att ställa in temperaturen med hög precision utan att samtidigt påverka hur snabbt systemet förlorar energi. Genombrottet kan göra kvantsimuleringar betydligt mer realistiska och ge forskare möjlighet att studera fenomen som tidigare varit svåra eller omöjliga att återskapa i laboratoriet.
Temperaturen har varit ett stort hinder
Kvantsimulatorer med infångade joner fungerar genom att elektriskt laddade atomer hålls svävande i vakuum med hjälp av elektriska fält.
Dessa system används för att efterlikna komplicerade kvantmekaniska processer som vanliga datorer har mycket svårt att beräkna.
Normalt kyls jonerna ned till temperaturer mycket nära den absoluta nollpunkten för att minimera störningar. Problemet är att många verkliga kemiska och fysikaliska processer sker vid betydligt högre temperaturer.
Forskarna har därför länge saknat ett sätt att höja temperaturen utan att samtidigt förändra andra viktiga egenskaper hos simuleringen.
Två separata reglage styr värme och kylning
Den nya metoden bygger på ett system med två oberoende kontroller.
Forskarna använder:
- en laser som kontinuerligt kyler jonernas vibrationer,
- en radioantenn som skickar slumpmässiga elektriska signaler och tillför värme.
Genom att justera styrkan hos dessa två processer var för sig kan temperaturen ställas in mycket exakt, samtidigt som energiförlusten i systemet hålls oförändrad.
Forskarna beskriver det som ett slags temperaturreglage för kvantsimulatorn.
Testades på kemiska processer
För att visa att tekniken fungerar genomförde forskarna två olika kvantsimuleringar inspirerade av verkliga kemiska processer.
Den första modellen beskrev elektronöverföring, alltså hur elektroner flyttar sig mellan molekyler under en kemisk reaktion.
När temperaturen höjdes kunde forskarna se att värmen förändrade vilka elektronövergångar som blev möjliga.
Värme öppnade nya energivägar
I den andra simuleringen studerade forskarna energitransport inspirerad av fotosyntesen.
Resultaten visade att högre temperatur gjorde det möjligt för energi att ta sig förbi hinder som blockerade transporten vid mycket låga temperaturer.
Forskarna såg att lokal uppvärmning aktiverade tidigare dolda transportvägar, vilket gav en mer realistisk bild av hur energiflöden fungerar i biologiska och kemiska system.
Kan ge bättre material och effektivare kemi
Den nya tekniken kan få stor betydelse inom flera forskningsområden.
Mer realistiska kvantsimuleringar kan hjälpa forskare att utveckla:
- effektivare batterimaterial,
- nya halvledare,
- bättre katalysatorer,
- mer avancerade kvantmaterial,
- effektivare kemiska processer.
Eftersom temperaturen spelar en avgörande roll i nästan alla naturliga processer kan möjligheten att styra den med hög precision göra simuleringarna betydligt mer användbara än tidigare.
Ett viktigt steg mot mer verklighetstrogna kvantsimulatorer
Forskarna menar att den nya metoden gör det möjligt att ställa helt nya forskningsfrågor.
I stället för att enbart studera kvantsystem nära den absoluta nollpunkten kan forskare nu undersöka hur värme påverkar kvantmekaniska processer på ett kontrollerat sätt.
Det innebär att framtidens kvantsimulatorer kan efterlikna verkliga kemiska och fysikaliska miljöer betydligt bättre än tidigare – något som på sikt kan påskynda utvecklingen av både nya material och framtidens kvantteknik.
Publication details
Visal So et al, Experimental Realization of Thermal Reservoirs with Tunable Temperature in a Trapped-Ion Spin-Boson Simulator, Physical Review Letters (2026). DOI: 10.1103/mf8d-91ws
