7 Minutės
Kvantiniai įrenginiai atskleidžia naujas materijos būsenas
Mokslininkai, naudodami programuojamą kvantinį procesorių, pranešė apie pirmąjį eksperimentinį egzotiškos, ne pusiausvyros fazės materijos įgyvendinimą: Floquet topologinę būseną. Šis atradimas, pasiektas ant superlaidžių kubitų įrenginio, demonstruoja, kad kvantiniai kompiuteriai gali veikti kaip laboratorinės platformos tyrinėti fazes, kurios neegzistuoja įprastinėmis pusiausvyros sąlygomis. Eksperimentą atliko tyrėjai iš Miuncheno Techninės universitetas (TUM), Princeton universiteto ir Google Quantum AI ir rezultatai paskelbti žurnale Nature.
Šis straipsnis paaiškina mokslinį kontekstą apie Floquet ir ne pusiausvyros fazes, santraukia eksperimentinį požiūrį, išryškina pagrindinius atradimus ir pasekmes kvantinei simuliacijai bei kvantinėms technologijoms, ir pateikia ekspertų komentarus apie rezultatą bei jo ateities perspektyvas.
Mokslinis fonas: pusiausvyra prieš ne pusiausvyrą ir Floquet tvarkos reikšmė
Daugiau pažįstamos materijos fazės — kietoji, skysta, dujinė — suprantamos termodinaminėje pusiausvyroje, kai makroskopinės savybės lieka pastovios laikui bėgant ir jas galima aprašyti pusiausvyros termodinamika. Priešingai, ne pusiausvyros kvantinės fazės apibrėžiamos jų laike kintančia dinamika ir modeliais, kurie atsiranda tik tada, kai sistema yra varoma arba kitaip laikoma ne pusiausvyroje. Tokios fazės gali turėti elgesį ir tvarkas, neturinčias pusiausvyros analogų.
Ryški klasė varomų kvantinių sistemų yra Floquet sistemos, pavadintos matematikos Gaston Floquet garbei. Fizinėje prasme Floquet sistema yra periodiškai varyta: Hamiltonianas arba valdymo seka taikoma pasikartojančiai laike. Periodinis varymas gali sukurti efektyvius Hamiltonianus ir iškilusias tvarkas, kurios neegzistuoja stacionariomis sąlygomis. Viena iš įspūdingų galimybių yra Floquet topologinė tvarka: topologiniai paveikslai, atsirandantys stroboskopinėje, laike priklausomoje sistemos evoliucijoje, o ne iš statinio pagrindinės būsenos. Topologinė tvarka kvantinėje materijoje siejama su globaliomis, atspariomis ypatybėmis — dažnai susijusiomis su krašto režimais arba dalelių pobūdžio ekscitacijomis — kurios yra nejautrios vietiniams trikdžiams. Kai tokias ypatybes palaiko periodinis varymas, atsiranda nauji dinaminiai reiškiniai, įskaitant kryptingus kraštų srovių pokyčius ir egzotišką dalelių „transmutaciją“ laiko evoliucijos metu.
Šių ne pusiausvyros, stipriai susipynusių fazių supratimas yra tiek teorinė, tiek skaičiavimo problema, nes klasikinės skaitmeninės technikos sunkiai pagauna stipriai koreliuotą kvantinę dinamiką daugybei laipsnių. Ta ribotumas yra viena iš priežasčių vystyti kvantinius procesorius kaip eksperimentinius simulatorius sudėtingai kvantinei materijai tirti.
Eksperimentas ir metodai: kvantinis kompiuteris kaip kvantinė laboratorija
Įranga: 58 superlaidūs kubitai
Komanda eksperimentą įgyvendino ant 58 kubitų superlaidžių kvantinio procesoriaus, suteikto Google Quantum AI. Superlaidūs kubitai yra viena iš pagrindinių programuojamų kvantinių įrenginių platformų; jie leidžia tiksliai valdyti sąveikas ir vietines operacijas, įgalindami pritaikytas sekas, kurios realizuoja norimą Floquet varymą.
Protokolas: Floquet varymas, kraštų vaizdavimas ir interferometrija
Tyrėjai suprojektavo daugiapakopį periodinį varymą, kuris, taikomas pasikartojančiai kubitų tinklelyje, sukūrė požymius, tikėtus Floquet topologinei tvarkai. Dvi eksperimentinės galimybės buvo esminės: (1) tiesioginis nukreipto krašto judėjimo vaizdavimas — fiziškai stebėti, kaip ekscitacijos sklinda aplink kubitų tinklo ribą — ir (2) naujas interferometrinis algoritmas, skirtas tirti globalius topologinius invariantus, užkoduotus laike vykstančioje evoliucijoje. Kartu šie matavimai pateikė tiek vietines dinamines nuotraukas (kraštų srovės, judančios pageidaujama kryptimi), tiek globalius įrodymus (fazės vijimą ir topologinius žymenis), kad sistema užėmė numatytą Floquet topologinę fazę.
Komanda taip pat pastebėjo dinaminių dalelių transmutacijos formą, teoriniu būdu prognozuotą šio tipo ne pusiausvyros topologinės tvarkos požymį: ekscitacijos keičia savo pobūdį keliaudamos per varytą sistemą ir per periodinį ciklą, kas atitinka topologines apribojimus, nustatytus Floquet protokolu.
Pagrindiniai atradimai ir mokslinės pasekmės
- Pirmasis eksperimentinis įgyvendinimas: Eksperimentas sudaro pirmąjį tiesioginį Floquet topologinės tvarkos stebėjimą kontroliuojamoje, programuojamoje kvantinėje įrangoje. Iki šio darbo fazė buvo teorinėse prognozėse, bet stigo eksperimentinio patvirtinimo.
- Kraštų dinamika ir topologija: Vaizduodami krašto judėjimą ir taikydami interferometrinius metodus, tyrėjai susiejo vietinius dinaminius reiškinius (kryptingas ribines sroves) su globalia topologine struktūra, eksperimentaliai parodydami, kaip periodinis varymas gali sukurti atsparų, kryptingą judėjimą, kurį saugo sistemos topologija.
- Kvantiniai procesoriai kaip atradimų įrankiai: Rezultatai pabrėžia augančią paradigmą, kurioje kvantiniai procesoriai tarnauja ne tik kaip skaičiavimo mašinos, bet ir kaip eksperimentinės platformos kvantinei simuliacijai. Jie leidžia paruošti, valdyti ir matuoti daugiasistemių kvantines būsenas, kurios klasikinėje technikoje yra neįveikiamos.
- Plačios pasekmės: Nepusiausvyros topologinių fazių stebėjimas atveria naujus kelius fundamentiniams fizikos tyrimams — gilina mūsų supratimą apie laike priklausomą tvarką, kvantinę susipynimą ir topologinę apsaugą. Taikomojoje srityje šie reiškiniai gali įkvėpti patikimų kvantinės informacijos protokolų, topologiškai apsaugotų kvantinių atmintinių ar inžinerinių medžiagų su reguliuojamais dinaminių reakcijų ypatumais dizainui.
Ekspertų įžvalga
Dr. Karen Alvarez, kondensuotosios materijos fizikė ir mokslo komunikatorė, komentavo: "Šis eksperimentas aiškiai parodo, kad programuojami kvantiniai įrenginiai gali realizuoti iš tiesų naujas materijos fazes. Aukštos tikslumo valdymo ir tikslingo interferometrinio nuskaitymo derinys leido komandai pereiti nuo teorinės prognozės prie empirinio stebėjimo. Ši geba pagreitins tiek fundamentalius atradimus, tiek praktinius pažangumus kvantinėse technologijose."
Šis ekspertų komentaro fragmentas atspindi, kaip rezultatas sujungia teoriją, eksperimentą ir įrenginių inžineriją, bei kodėl gebėjimas tiesiogiai tirti dinamiką kvantiniame procesoriuje yra svarbus būsimiems tyrimams.
Susijusios technologijos ir ateities perspektyvos
Mastelio didinimas ir koherencija: Didesni kubitų masyvai ir koherencijos laikų bei vartų tikslumo gerinimas leis paruošti ir tirti sudėtingesnes ne pusiausvyros fazes. Mastelio didinimas yra esminis norint aptikti topologines tvarkas su ilgesniais koreliacijos ilgiais ir sumažinti baigtinio dydžio efektus.
Algoritminiai patobulinimai: Interferometrinis algoritmas, pristatytas šiame darbe, yra pavyzdys specializuotų kvantinių protokolų, išplečiančių matavimo įrankių rinkinį kvantiniuose procesoriuose. Būsima algoritmų raida gali apimti triukšmo mažinimą naudojančią tomografiją, atsitiktinių patikrinimų (randomized benchmarking), pritaikytų daugiasistemių dinamikai, ir variacines metodikas egzotiškų varytų būsenų paruošimui.
Taikymas kvantinei informacijai: Topologiškai apsaugoti reiškiniai — tiek stacionarūs, tiek varyti — yra patrauklūs kvantinei informacijai, nes gali suteikti intrinzišką atsparumą tam tikriems triukšmo tipams. Nors praktiškas topologinis kvantinis skaičiavimas išlieka ilgalaikis tikslas, Floquet inžinerinė apsauga gali pasiūlyti tarpinio lygio būdus gerinti kubitų atsparumą arba įgyvendinti apsaugotus vartus.
Tarpdisciplininės galimybės: Floquet topologinės tvarkos tyrimai kerta kondensuotosios materijos fiziką, kvantinės informacijos mokslą ir medžiagų dizainą. Tokie kvantinės simuliacijos eksperimentai leis patikslinti teorinius modelius, nukreipti paieškas varytų medžiagų su naujomis savybėmis ir paveikti nanofabrikacijos bei įrenginių valdymo strategijas.
Baigiama eksperimentinė perspektyva
TUM–Princeton–Google bendradarbiavimas parodo, kad programuojami kvantiniai procesoriai dabar yra pakankamai subręję, kad imituotų ir atskleistų anksčiau neregėtas ne pusiausvyros materijos fazes. Suderindami tikslią 58 kubitų superlaidžių masyvo kontrolę su naujais interferometriniais matavimo protokolais, grupė pavertė teorines prognozes apie Floquet topologinę tvarką empirinėmis realybėmis. Eksperimentas atveria kelią sistemingam varytos kvantinės materijos tyrimui, informuoja kvantinių matavimo technikų plėtrą ir pabrėžia potencialą, kad kvantiniai įrenginiai veiktų kaip atradimų platformos, o ne tik skaičiuoklės.
Išvada
Šis Floquet topologinės būsenos eksperimentinis įgyvendinimas žymi kertinį akmenį kvantinės simuliacijos ir kondensuotosios materijos fizikoje. Jis parodo, kad periodinis varymas programuojamame superlaidžių kubitų masyve gali sukelti atsparią, kryptingai šališką kraštų dinamiką ir globalius topologinius požymius, kurie anksčiau buvo tik teoriniai. Be fundamentinės reikšmės, šis darbas signalizuoja pokytį tyrimų prieigos būduose: kvantiniai procesoriai iškyla kaip universalios laboratorijos ne pusiausvyros būsenų tyrimui, naujų kvantinių algoritmų kūrimui ir potencialiam topologiškai apsaugotų kvantinių technologijų inžinerijai. Rezultatas praplečia mūsų supratimą apie tai, kokios materijos fazės gali egzistuoti, kai prie kvantinės įrankių dėžutės pridedamas laike priklausomas valdymas, ir atveria daugybę kelių tolimesniems tyrimams kvantinės informacijos, medžiagų mokslo ir fundamentinės fizikos sankirtoje.
Šaltinis: scitechdaily
Komentarai