Квантовый симулятор решает эту проблему, создавая модель интересующей системы и используя компоненты, которые сами подчиняются законам квантовой физики. Сильновзаимодействующие электроны в твёрдом теле, например, могут быть представлены в виде атомов, удерживаемых в оптической (удержание светом) или магнитной (удержание полем) ловушке.
Взаимодействие между атомами может быть скорректировано при помощи магнитного поля или регулировки параметров лазерного луча. В ходе систематических исследований это позволяет понять, как взаимодействие влияет на общее поведение всей системы. Проще говоря, атомы в ловушке позволяют моделировать "внутренности" твёрдого тела и процессы, которые происходят с составляющими (например, электронами, которые в реальном теле нельзя подвинуть на полмикрометра в сторону и посмотреть, что же в этом случае будет с тем самым телом).
Джастин Боне (Justin Bohnet) и его коллеги из NIST для создания своего квантового симулятора загнали в ловушку Пеннинга 219 ионов бериллия-9, которая удерживает заряженные частицы с помощью электрических и магнитных полей. Ионы формируют плоский диск толщиной в одну частицу и около одного миллиметра в диаметре.
Электрическое отталкивание между положительно заряженными ионами приводит их к самоорганизации такой системы в треугольную решётку.
Напомним, что каждый ион имеет спин, который может быть направлен вверх или вниз вдоль оси Z ловушки. Исследователи светили лазерным светом на ионы, что генерировало взаимодействие между соседними спинами (оно зависело от их относительной ориентации вверх или вниз).
Такое "изинговое" взаимодействие также обнаруживается в некоторых магнитных материалах, поэтому диск ионов в ловушке оказывается полезным для квантового моделирования магнетизма.
Эксперименты начались с нулевым "изинговым" взаимодействием, когда ионы действовали независимо друг от друга. Затем взаимодействие "включалось" учёными, что заставляло ионы образовывать запутанное состояние, которое включало большинство или все из захваченных в ловушку ионов. Поясним, что запутывание является чисто квантово-механическим свойством, что позволяет квантовым объектам, таким как ионы, иметь гораздо более "тесные отношения", чем прогнозируется классической физикой.
При квантовой запутанности два или большее число объектов оказываются взаимосвязанными, и это состояние сохраняется, даже если эти объекты разнесены в пространстве за пределы любых известных взаимодействий, что находится в логическом противоречии с принципом локальности.
Получив квантовую запутанность ионов бериллия, учёные затем "обстреливали" ловушку микроволновыми импульсами, которые переворачивают спины на 90 градусов, так что они все начинали указывать в направлении оси Х в плоскости диска.
Спины затем предоставляются самим себе примерно на одну миллисекунду. В течение этого времени взаимодействие Изинга приводит к тому, что спины начинают хаотично изменяться, то есть меняется их направление (происходит так называемый процесс деполяризации).
