Физики создали управляемую спиновую жидкость
Физикам впервые удалось реализовать спиновую жидкость с помощью двумерной решетки атомов. Они не только проверили, что созданное состояние обладает необходимыми свойствами, но и научились их изменять. Возможность управлять такой системой поможет в создании защищенных топологических кубитов. Работа опубликована в журнале Science.
Спиновая жидкость была предсказана Филипом Андерсоном еще 50 лет назад и только спустя почти 40 лет ученым удалось обнаружить ее экспериментально — в редком минерале гербертсмитите. Физики стремились найти, создать и изучить спиновую жидкость из-за того, что спины в ней оказываются запутаны друг с другом. Предположения о том, что из себя представляет эта сложная система и какие взаимодействия таит, долго оставались предположениями, пока Алексей Китаев не предложил простую и решаемую модель спиновой жидкости. В нашем материале
Китаев подробно рассказал о своей модели и о спиновой жидкости в целом.
С точки зрения квантовых вычислений спиновая жидкость представляет собой уникальную платформу для создания кубитов, естественными образом защищенных от ошибок. Тем не менее проводить вычисления на минерале или другом материале сложно, ведь непонятно как им управлять, поэтому самый верный путь — создать такую систему самому. И это оказалось возможным — команда ученых под руководством Михаила Лукина (Mikhail Lukin) из Гарвардского университета реализовала спиновую квантовую жидкость с помощью двумерного массива из 219 ридберговских атомов. Они обосновали взаимосвязь между созданной системой и моделью спиновой жидкости, показали при каких условиях их система переходит в нужное состояние. Для проверки всех предположений, авторы использовали нелокальные измерения, влияние которых им тоже удалось продемонстрировать. Кроме того, собранная система оказалась контролируемой и управляемой, что говорит о ее перспективах для квантовых вычислений.
Получить подходящие положения атомов и их взаимодействия позволила решетка кагомэ — комбинация шестиугольной и треугольной решеток. Атомы в такой решетке располагаются на гранях, причем неслучайным образом: некоторые их них формируют пары и образуют димеры, другие же остаются мономерами. Димерная связь между атомами создается благодаря их возбуждению (переходу из самого нижнего энергетического состояния в состояние с более высокой энергией). Кроме того, атомы в результате взаимодействия с возбужденным соседом меняют свою энергию и возбудить их такой же частотой становится невозможно. Это явление называется ридберговской блокадой и позволяет организовать решетку так, что в каждую вершину окажется втянут ровно один димер. Если число димеров оказывается в четыре раза больше числа мономеров в решетке, то она превращается в квантовую спиновую жидкость.
Помимо специального расположения атомов, авторы подбирали расстояние между атомами в решетке и частоту Раби для того, чтобы радиус ридберговской блокады возбужденного атома захватывал шесть его ближайших соседей.
После того, как ученые получили необходимое заполнение решетки (димеров в четыре раза больше) они наблюдали за эволюцией системы и ее реакцией на медленную расстройку частоты Раби, которая в свою очередь влияла на радиус ридберговской блокады и заполнение решетки. Они останавливали этот процесс в разных точках и смотрели на плотность риберговского возбуждения. Авторам удалось запечатлеть три ситуации: в вершине решетки находился мономер, один димер или два пересекающихся димера. Для создания спиновой жидкости подходит второй случай, когда в вершине находится один димер, и физикам удалось установить необходимые значение частоты Раби и ее расстройки, при которых в 80 процентах случаев выполнялось это условие.
Следующий этап — измерения. Спиновую жидкость измеряли двумя типами операторов: один позволял определить четность произвольной цепочки, пересекающей граник решетки (Z), а второй отвечал за проверку квантовой когерентности (X). Результат измерения первым оператором для димера равен −1, затем в зависимости от того, что пересекает цепочка(если ребро с димером, то −1, если без, то +1), считается и усредняется четность двух элементов и так далее пока цепочка не закончится. Второй требует изменения состояния решетки (состояние все еще является спиновой жидкостью, но расположение димеров меняется) и наблюдения за четностью определенных цепочек. Авторы описывают это изменение с помощью части решетки — треугольника — которая как будто вращается, изменяя четность фиксированных цепочек. Измерения показали, что атомы находятся в различных состояниях с определенными вероятностями, то есть в состоянии суперпозициии.
Проделанные физиками эксперименты и измерения над системой подтвердили, что ее поведение описывается моделью спиновой жидкости, и что им можно управлять. Такая возможность позволяет перейти к терминам кубитов. По мнению авторов, изучение того, как создавать и использовать такие топологические кубиты, станет важным шагом на пути к созданию надежных квантовых компьютеров.
Сравнить «собранную» квантовую жидкость с теми, что создала природа можно с помощью работ, в которых ученых обнаруживали ее в оксиде кальция и хрома или монокристалле хлорида рутения.
Оксана Борзенкова
Физики подтвердили это экспериментально
Физики обнаружили, что вероятность оказаться в определенном конечном состоянии для квантов света на 5,9 процента меньше теоретического предсказания. Это противоречит гипотезе о прямолинейных траекториях фотонов. В эксперименте ученые наблюдали при помощи интерферометра и оптической системы за распространением фотонов из подготовленных квантово-механических состояний, которые характеризуются суперпозицией координаты и импульса. Статья опубликована в журнале Physical Review A. Граница применимости классических законов физики на малых масштабах — вопрос, который по-прежнему исследуют ученые. Ранее мы разбирались в интервью с Михаилом Кацнельсоном, профессором Университета Радбауда, как квантовая механика переходит в классическую и наоборот. Этот переход можно проиллюстрировать на примере свободного движения частицы. В квантовой механике движению частицы сопоставляется эволюция пространственного оператора x̂(t) со временем, которая описывается в терминах начального состояния x̂(0) и импульса p̂x по следующей формуле: x̂(t) = x̂(0) + p̂x/m t. Если в эту формулу подставить конкретные значения x и px это уравнение будет соответствовать классическому первому закону Ньютона, который гласит, что частица массы m будет двигаться равномерно и прямолинейно в случае отсутствия действия сил на эту частицу. В случае безмассовых фотонов масса m заменяется на выражение h/(cλ), где h — постоянная планка, c — скорость света, а λ — длина волны фотона. Однако из-за соотношения неопределенности Гейзенберга невозможно одновременно определить конкретные значения x и px, но можно рассчитать вероятности P(L) и P(B) этим величинам принимать значения из интервалов L и B соответственно. В предположении прямолинейного распространения, частица окажется в положении M = L + Bt/m с вероятностью P(M, t). В 2017 году профессор Университета Хиросимы Хольгер Хофман (Holger F. Hofmann) предложил идею эксперимента по оптимизации одновременного контроля положений и импульсов квантовых частиц, максимизируя вероятность нахождения их значений в пределах двух четко определенных интервалов. Хофман рассчитал, что нижний предел вероятности P(M, t) определяется формулой: P(M, t) ≥ P(L) + P(B) − 1 и показал теоретически, что этот нижний предел может нарушаться квантовыми суперпозициями состояний, ограниченными интервалами положения и импульса. Однако экспериментально гипотезу Хофмана до сих пор не проверяли. Физики Такафуми Оно (Takafumi Ono), Нигам Самантарай (Nigam Samantarray) и Джон Рарити (John G. Rarity) из Университета Бристоля решили проверить это, экспериментально получив вероятности P(M, t), P(L) и P(B) на основе статистических распределений частиц. Для этого они использовали интерферометр, оптическую систему из щелей и линз, а также лазер, способный работать в однофотонном режиме. Путь фотонов разделяли по двум плечам интерферометра. В одном из плеч ученые установили щель заданной ширины L, чтобы создать пространственное состояние |L⟩, примерно соответствующее изображению щели. В другом плече — установили щель шириной Lʹ и тонкую линзу на фокусном расстоянии за щелью. В параксиальном приближении информация об импульсе перед линзой соответствует изображению за ней. Таким образом, ученым удалось создать суперпозицию пространственного |L⟩ и импульсного |B⟩ состояний фотонов. Для начального состояния ученые определили экспериментально вероятности P(L) и P(B), для этого они регистрировали распределения частиц, проходящих каждое плечо интерферометра независимо. На основании этих наблюдений физики получили теоретическую вероятность обнаружить фотоны в конечном состоянии в 13,1 процента. Физики при помощи ПЗС матрицы регистрировали фотоны на расстоянии z от щелей, подобранном таким образом, чтобы предсказанное Хофманом отклонение вероятности было практически максимальным. Такафуми Оно и его коллеги наблюдали интерференцию квантовых состояний положения и импульса фотонов. По мнению ученых эта интерференция и привела к уменьшению наблюдаемой в эксперименте вероятности на 5,9 процента. Ученые подчеркивают, что их экспериментальные результаты не дают новых интерпретаций траекторий квантовых частиц. Вместо этого на основе наблюдаемой статистики физики количественно показали, что, по крайней мере, первый закон Ньютона примерно на 5,9 процента не соответствует квантово-механическим вероятностям из-за эффектов квантовой интерференции. Авторы считают, что их результаты являются важным шагом на пути дальнейшего развития квантовой теории. Интерференция квантовых состояний не только нарушает первый закон Ньютона, но и может быть использована как инструмент в физике высоких энергий. О том, как физики исследуют и борются с квантовой неопределенностью мы писали в нашем материале «Далеко ли до предела».