物理学家已经开发出一种量子模拟方法，可以将实验量子系统“虚拟地冷却”到其实际温度的一小部分。该方法可能允许获得极低温现象，例如以前从未观察到的异常形式的超导性。模拟涉及准备系统量子状态的多个副本，干扰状态，并对每个副本进行测量，最终在较低温度下在同一系统上产生模拟测量。
物理学家团队，斯坦福大学的Jordan Cotler和共同作者，在最近一期物理评论X中发表了一篇关于量子虚拟冷却方法的论文。
正如研究人员解释的那样，结果是基于温度与量子纠缠之间存在紧密联系的观点。
“现代物理学的观点是温度是量子纠缠的一种新兴特性，” Cotler告诉Phys.org。“换句话说，量子纠缠的某些模式产生了熟悉的温度概念。通过有目的地操纵系统中的纠缠模式，我们可以获得更低的温度。虽然这些显着的想法以前在理论上被理解，但我们想通了如何通过实验来实现它们。“
虚拟冷却技术的未来实验实现可以使研究人员以看似不可能的方式测量温度。
“我们或许可以使用量子虚拟冷却来”交叉“所谓的有限温度相变，”Cotler说。“这看起来很奇怪 - 就像拿两杯液态水一样，通过量子测量，你可以了解固体冰的特性。值得注意的是，原则上这似乎是可能的，但在实践中，我们需要使用系统尽管如此，我们仍然可以在一个阶段准备一个系统，并使用量子虚拟冷却来探测仅在较低温度下发生的不同阶段。“
虚拟冷却方法设计用于一种称为强相关量子多体系统的系统。这种系统的一个例子是被称为“光学晶格”的激光网格捕获的超冷原子系统。原子可以从网格点跳到网格点并相互交互。理论上预测强相关的量子多体系统(如超冷原子捕获原子)会在超冷温度下显示出有趣的行为。不幸的是，由于难以冷却到这样的低温，从未观察到许多预测的低温现象。
最近开发的一种冷却方法是使用量子模拟器 - 一种由原子，光子，量子点或其他物理对象组成的物理系统，用于模拟另一个不太清楚的物理系统。在新论文中引入的量子模拟器中，在一些可达到的温度下的原子用于在较冷的，传统上难以接近的温度下对原子进行建模。换句话说，量子系统被用于在较低温度下模拟其自身的子集。由于它们的量子特性，量子模拟器可以执行这样的某些任务，这些任务是经典计算机无法实现的，它们无法利用量子纠缠和叠加。
关于新模拟器的关键之一是根本没有实际的物理冷却。相反，虚拟冷却是通过干扰许多原子，测量这些原子，然后处理测量数据来实现的。为了证明这一点，物理学家使用这种方法来模拟所谓的“Bose-Hubbard模型”中原子密度的测量，该模型指定了原子之间的某些相互作用。基本程序涉及准备两个或多个相同的多原子量子态副本在不同的物理位置(这里是光学晶格)。然后在副本之间引入量子隧穿，这允许它们之间的原子干扰。最后，对每个晶格位置测量占据每个位置的原子数，这通过使用量子气体显微镜来完成。
在实际温度下重复该过程几次，然后取平均值，该方法在T / n的降低温度下给出原子的局部密度，其中T是系统的实际温度，n是使用的拷贝数。在最初的演示中，研究人员使用了两份副本，这些副本允许在原始温度的一半时间内访问系统。这些实验结果与理论预测非常匹配。
虽然该方法理论上允许系统实际上冷却到其基态，即零温度状态，但实际上冷却量受到以足够高的精度测量系统的多个副本所涉及的缩放困难的限制。 。尽管如此，由于没有涉及物理冷却这一事实，研究人员预计，在使用所有物理冷却方法后，模拟方法可用于实际降低量子系统的温度，因此它可以为任何其他方法提供额外的冷却。
在未来，物理学家计划进一步扩展量子虚拟冷却的方法，以测量更复杂的属性。虽然目前的设置仅用于测量低温下的原子密度，但物理学家开发了另一种冷却方法来测量其他性质。这种方法在量子电路中使用量子位，类似于纠缠纯化协议。
研究人员还希望应用量子虚拟冷却来研究低温现象，例如d波超导，这是一种高温超导性，这种现象并不像低温超导性那样容易理解。
“关于d波超导，将其视为Fermion-Hubbard模型的低温阶段将是有趣的，可以在实验室中通过实验来实现，”Cotler说。“在这里，'Fermion-Hubbard模型'是物理术语，用于具有特定种类相互作用的系统，以及作为费米子的组成粒子(其中电子是众所周知的例子)。
“你可能会问，为什么这组特殊的相互作用很有意思，为什么我们关心在低温下观察d波超导相?有几个原因。一个是Fermion-Hubbard模型是一个很好的系统从理论的角度来看，它可以让我们深入了解我们在自然界中观察到的或者想要设计的更复杂的系统。
“然而，很难理解系统中的低温超导性 - 方程式太难了，即使我们有超级计算机，在计算机上模拟系统几乎是不可能的。一种方法是模拟Fermion-Hubbard模型在量子计算机上，但我们还没有能够这样做。相反，我们可以在实验室中建立一个Fermion-Hubbard模型，并通过冷却来探索其低温特性。换句话说，我们不需要一台量子计算机，因为我们实际上是在实验室中构建所需的系统。但现在问题实际上是将实验系统冷却到足够低的温度，你可以看到超导相。这是目前无法实现的，但似乎是量子虚拟散热可以提供帮助。“