Используя программируемый квантовый симулятор, профессор Михаил Лукин (слева) и ведущий автор исследования Джулия Семегини изучают квантовые спиновые жидкости

Ее предсказывали еще полвека назад, но экспериментально получили только сейчас.

В 1973 году физик Филип В. Андерсон выдвинул теорию о существовании нового состояния материи, которое дало бы весомо преимущество в гонке за сверхбыстрыми квантовыми компьютерами.

Это состояние получило название квантовая спиновая жидкость. Правда, к жидкости она на самом деле не имеет никакого отношения. Так состояние материи назвали из-за магнитов, которые никогда не замерзают, и того, как в них вращаются электроны.

В обычных магнитах, когда температура падает ниже определенной отметки, электроны стабилизируются и образуют твердую материю с магнитными свойствами. В квантовой спиновой жидкости электроны не стабилизируются при охлаждении, не превращаются в твердое тело и постоянно изменяются и флуктуируют (как жидкость) в одном из самых запутанных квантовых состояний, когда-либо обнаруженных учеными.

Особые свойства квантовых спиновых жидкостей позволяют найти многообещающие применения этому состоянию материи, в том числе в высокотемпературных сверхпроводниках и квантовых компьютерах. Но было одно серьезное препятствие: никто никогда не видел и не подтверждал существование квантового спинового жидкого состояния. До настоящего времени. Теперь группа физиков из Гарварда экспериментально задокументировала это долгожданное экзотическое состояние материи.

«Это очень особенный момент в этой области. Вы действительно можете потрогать, ткнуть и толкнуть это экзотическое состояние и манипулировать им, чтобы понять его свойства. … Это новое состояние материи, которое люди никогда не наблюдали», – Михаил Лукин, содиректор Гарвардской квантовой инициативы и один из главных авторов исследования.

Авторы исследования отмечают, что экзотические свойства квантовых спиновых жидкостей могут стать ключом к созданию более надежных квантовых битов, известных как топологические кубиты, которые, как ожидается, будут устойчивы к шуму и внешним помехам.

«Это мечта квантовых вычислений. Изучение того, как создавать и использовать такие топологические кубиты, станет важным шагом на пути к созданию надежных квантовых компьютеров», – Джулия Семегини, ведущий автор исследования.

Исследователи намеревались наблюдать это жидкое состояние материи с помощью программируемого квантового симулятора, разработанного лабораторией в 2017 году. Симулятор представляет собой своего рода квантовый компьютер, который позволяет создавать программируемые формы, такие как квадраты, соты или треугольные решетки, для проектирования различных взаимодействий и сцеплений между ультрахолодными атомами. 

Идея использования квантового симулятора состояла в том, чтобы иметь возможность воспроизвести ту же микроскопическую физику, что и в системах конденсированного состояния, но со свободой, которую позволяет программируемость системы.

«Вы можете раздвигать атомы так далеко, как хотите, можете изменять частоту лазерного излучения и менять параметры природы так, как вы не смогли бы в материале, где эти вещи изучались ранее. Здесь вы можете посмотреть на каждый атом и увидеть, что он делает», – Субир Сачдев, соавтор исследования.

В обычных магнитах спины электронов направлены вверх или вниз по некоторой регулярной схеме. Например, в обычном магните для холодильника все вращения «настроены» в одном направлении.

Квантовые спиновые жидкости не обладают этим магнитным порядком. Для этого исследования команда организовала атомы в треугольную решетку. Это означает, что у каждого из них есть два ближайших соседа. Пара электронов может магнитно стабилизироваться, потому что их спины могут либо совпадать, либо чередоваться, но наличие третьего колеса нарушает этот баланс, создавая «фрустрированный магнит». 

Получающаяся в результате квантовая спиновая жидкость демонстрирует несколько полезных квантовых явлений, таких как запутанность, когда атомы могут влиять друг на друга на огромных расстояниях и даже «телепортировать» информацию, и квантовую суперпозицию, когда атомы могут существовать в нескольких состояниях одновременно.

Исследователи планируют продолжить работу с симулятором, чтобы выяснить, как именно квантовые спиновые жидкости можно использовать для создания надежных кубитов. Кубиты — это фундаментальные строительные блоки, на которых работают квантовые компьютеры, и источник их огромной вычислительной мощности.

National Geographic Россия