Квантовые флуктуации увеличили эффективность передачи энергии по цепочке спинов

Физики из Австрии и Германии воспроизвели андерсоновскую локализацию, квантовый перенос при помощи среды и квантовый эффект Зенона с помощью простой системы спинов, состоящей из десяти ионов кальция-40. Другими словами, ученые увидели, как динамический шум увеличивает эффективность передачи энергии по цепочке (до определенных пределов). Эта система в два с половиной раза больше предыдущих модельных систем, что позволяет более детально исследовать процессы. В частности, физики подтвердили, что эффективность передачи энергии зависит от того, насколько широко спектральная плотность шума охватывает собственные значения системы. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

Электрический ток, который течет по проводнику, можно представлять не только как поток электронов-квазичастиц, но и как волну, переносящую заряд и энергию. Когда волна набегает на препятствие (например, дефект или примесь), она рассеивается и частично отражается. Если рассеянная и исходная волна когерентны и направлены в одну сторону, они интерферируют и усиливают друг друга — например, на этом принципе основан лазер, в котором вместо электронов бегают фотоны. Если же рассеянная волна когерентна исходной, но направлена в случайную сторону, сигнал, наоборот, подавляется. Более того, когда беспорядочное рассеяние происходит слишком часто, электроны вообще перестают бежать по материалу, и проводник превращается в изолятор. Впервые этот эффект заметил в 1958 году американский физик-теоретик Филип Андерсон, и впоследствии явление назвали его именем.

Тем не менее, андерсеновскую локализацию можно преодолеть, если превратить статичный беспорядок в динамический. Другими словами, если случайным образом «трясти» неподвижные примеси, рассеянные волны уже не будут когерентны исходным, и деструктивная интерференция не сможет полностью погасить сигнал (хотя и ослабит его). Этот эффект, открытый около десяти лет назад, называется квантовым переносом при помощи среды (environment-assisted quantum transport, ENAQT). В частности, он объясняет высокую эффективность фотосинтеза некоторых биомолекул. К сожалению, ENAQT до сих пор наблюдался только в макроскопических системах, состоянием которых сложно управлять. С другой стороны, квантовые системы, моделирующие этот эффект, содержали не более четырех узлов (волноводов, осцилляторов, ионов или сверхпроводящих кубитов). Поэтому связь между шумом и проводимостью была исследована плохо.

Группа ученых под руководством Кристиана Руза (Christian Roos) исследовала эту связь для цепочки из десяти связанных спинов — ионов кальция-40, пойманных в квадрупольную ловушку Паули. Изначально все спины в цепочке были ориентированы в одну сторону. Взаимодействием между спинами физики управляли с помощью лазера, связывающего электронные состояния всех ионов. Кроме того, с помощью дополнительных лазеров, сфокусированных на каждом ионе, ученые возбуждали спины и вносили в систему статический беспорядок. Энергия таких возбуждений была равномерно распределена в интервале от одной пятой до максимальной энергии взаимодействия двух спинов. Управляя формой волны лазеров, исследователи также создавали динамические шумы разного характера — например, белый (марковский) шум, спектральная мощность которого равномерно распределена по всему диапазону частот. Наконец, переворачивая третий спин в цепочке, физики запускали по ней волну, а затем исследовали ее поведение.

Сначала ученые изучили случай марковского (белого) динамического шума, который накладывался на слабый или сильный беспорядок. В случае сильного беспорядка эффективность изначально находилась на низком уровне из-за андерсоновской локализации и росла одновременно с силой шума, что указывало на ENAQT. Тем не менее, при еще большей силе шума, когда его спектральная плотность превышала максимальную энергию взаимодействия двух спинов, эффективность распространения волны снова начинала падать. Ученые считают, что это падение обусловлено квантовым эффектом Зенона: при таком сильном шуме состояние каждого спина проверяется слишком часто, время его жизни увеличивается, а вероятность переворота уменьшается. Следовательно, волна распространяется по цепочке плохо. Кроме того, в этой области приближение белого шума перестает работать. В случае слабого беспорядка эффективность распространения волны практически не зависела от силы динамического шума, пока эффектом Зенона можно было пренебречь.

Чтобы лучше понять, почему в области сильных шумов эффективность распространения волны уменьшается, физики смоделировали случай не-марковского шума, спектральная плотность которого описывается распределением Лоренца. В результате ученые выяснили, что при высокой спектральной плотности эффективность зависит не столько от формы распределения интенсивности, сколько от ширины, с которой оно покрывает собственные энергетические состояния системы. Для широких распределений, которые охватывают все собственные частоты (в частности, для белого шума) эффективность передачи близка к ста процентам. Напротив, для узких распределений, которые связывают только небольшой диапазон частот, эффективность зависит от номера пробного иона и в среднем невысока.

Таким образом, ученые воспроизвели андерсоновскую блокаду, квантовый перенос при помощи среды и квантовый эффект Зенона на хорошо контролируемой системе, которая позволяет исследовать детали этих процессов. Авторы считают, что с помощью такой системы можно также исследовать другие случайные процессы — в частности, изучить локализацию OTOC-корреляторов (out-of-time-ordered correlators), связанных с квантовых хаосом.

Ранее мы уже писали о том, как шумы помогают контролировать состояния квантовых систем. Например, в октябре 2017 года исследователи из Германии и Испании обратили поток тепла в термоэлектронном наноразмерном приборе, изменяя частоту проверок его когерентности. А в январе 2018 американские физики научились управлять состоянием трансмонных кубитов с помощью квантового эффекта Зенона. Грубо говоря, благодаря этому эффекту квантовое состояние живет тем дольше, чем чаще его измеряют.

Дмитрий Трунин