Экзотическая квантовая фаза, предсказанная более полувека назад, может привести к прогрессу в области квантовых вычислений, датчиков и коммуникационных технологий.
(Фото предоставлено: koto_feja / Getty Images)
Исследователи наблюдали неуловимое квантовое явление, которое было впервые предсказано более 50 лет назад. Этот процесс, формирующий новое состояние материи, может иметь последствия для будущих квантовых вычислений.
Фаза, называемая сверхизлучательным фазовым переходом (SRPT), является результатом того, что две независимые группы квантовых частиц начинают колебаться скоординированным и коллективным образом, заявили ученые в новом исследовании, опубликованном 4 апреля в журнале Science Advances.
В данном случае двумя группами частиц были ионы железа и ионы эрбия внутри кристалла. Исследователи смогли вызвать это явление, применив магнитное поле, которое более чем в 100 000 раз сильнее земного, к кристаллу, состоящему из эрбия, железа и кислорода, после его охлаждения до -457 °F (-271,67 °C), то есть до температуры, близкой к абсолютному нулю.
В таких условиях команда смогла наблюдать в кристалле безошибочные признаки SRPT. Их наблюдения в точности соответствовали прогнозам о том, как должен выглядеть SRPT в соответствии со знаменитой моделью, сформулированной Робертом Х. Диком в 1954 году.
Так называемая модель Дике была первой, кто описал явление сверхизлучения, при котором возбуждённые атомы испускают свет быстрее, чем обычные атомы, и заложила основу для понимания сверхизлучательного фазового перехода как отдельного состояния материи, возникающего в результате сильного взаимодействия между светом и материей. В 1973 году Клаус Хепп и Эллиот Х. Либ дополнили эту модель, формально продемонстрировав существование этого фазового перехода.
«Изначально предполагалось, что SRPT возникает в результате взаимодействия между квантовыми флуктуациями вакуума — квантовыми световыми полями, которые естественным образом существуют даже в полностью пустом пространстве, — и флуктуациями материи, — сказал соавтор Дасом Ким, аспирант в области прикладной физики в Университете Райса, в заявлении. «Однако в нашей работе мы осуществили этот переход, соединив две отдельные магнитные подсистемы — спиновые флуктуации ионов железа и ионов эрбия внутри кристалла».
Спин описывает угловой момент элементарной частицы или атома. Он определяет поведение в магнитных полях и важен для определения статистических свойств совокупности частиц, которые, в свою очередь, влияют на структуру материи и природу фундаментальных взаимодействий. Когда возбуждение, вызванное тепловыми флуктуациями, переменными магнитными полями или другими источниками, вызывает волнообразное возмущение в структуре спинов в материале, это называется магноном.
В прошлом SRPT называли «теоремой о невозможности», потому что она нарушала фундаментальное ограничение систем на основе света. Но создание магнонной версии этого явления позволило команде обойти это ограничение. В их эксперименте магноны ионов железа играют роль, которую обычно выполняют флуктуации вакуума, а спины ионов эрбия заменяют флуктуации материи.
Исследователи смогли чётко наблюдать исчезновение энергетического сигнала одного из спиновых режимов и смещение другого — безошибочное свидетельство SRPT.
«Мы установили сверхсильную связь между этими двумя спиновыми системами и успешно наблюдали SRPT, преодолев предыдущие экспериментальные ограничения», — сказал Ким.
Уникальные характеристики SRPT могут иметь важное значение для целого ряда квантовых технологий. Это связано с явлением, называемым квантовым сжатием, при котором флуктуации одного измеряемого свойства квантовой системы уменьшаются ниже стандартного квантового предела (хотя флуктуации другого свойства увеличиваются).
«Близко к квантовой критической точке этого перехода система естественным образом стабилизирует квантово-сжатые состояния, в которых квантовый шум значительно снижается, что значительно повышает точность измерений», — говорится в заявлении Кима. «В целом, это открытие может произвести революцию в квантовых датчиках и вычислительных технологиях, значительно повысив их точность, чувствительность и производительность».
Помимо точности квантовых измерений и вычислений, стабилизация квантовых сжатых состояний с помощью SRPT даёт и другие преимущества. Поскольку SRPT возникает в результате коллективного поведения множества квантовых частиц, он может обеспечить встроенную защиту от ошибок отдельных кубитов и декогеренции, которые являются серьёзными препятствиями в современных квантовых вычислениях. Синхронизированное поведение может привести к созданию более надёжных и стабильных кубитов с более длительным временем когерентности. Также возможно, что сильные когерентные взаимодействия внутри SRPT могут привести к ускорению работы вентилей (строительных блоков квантовых алгоритмов).