Один из первых квантовых симуляторов продемонстрировал загадочное явление: ряд атомов, периодически возвращающийся в упорядоченное состояние.
Физики спешат объяснить, что происходит. 
Тающая мороженое не подвержена самопроизвольному замерзанию.
Однако один из квантовых симуляторов постоянно возвращается в упорядоченное состояние после того, как система достигает равновесия.
Пройдет достаточно времени, и даже в самой опрятной комнате придет беспорядок.
Одежда, книги и бумаги выйдут из своего упорядоченного состояния и разбросаются по полу.
И, что досадно, эта склонность к беспорядку отражает закон природы: беспорядок имеет тенденцию расти.
Если, например, открыть акваланг под давлением, молекулы воздуха внутри него вылетят наружу и разлетятся по комнате.
Поместите кубик льда в горячую воду, и молекулы воды, замороженные в упорядоченную кристаллическую решетку, разорвут свои связи и рассеются.
При смешивании и распределении система стремится достичь равновесия с окружающей средой, что называется термализацией.
Это обычный и интуитивно понятный эффект, который физики ожидали увидеть, когда выстроили в ряд 51 атом рубидия и удерживали их на месте с помощью лазеров.
Атомы изначально имели упорядоченную структуру и переключались между «основным» состоянием с самой низкой энергией и возбужденным состоянием.
Исследователи предположили, что эта система быстро термализуется: чередование базальных и возбужденных состояний почти сразу же успокоится и превратится в неупорядоченную последовательность.
Поначалу сцены были действительно беспорядочными.
Но затем, к удивлению ученых, они вернулись к исходной прерывистой последовательности.
После дополнительного перемешивания атомы вернулись к исходной конфигурации.
Состояния чередовались взад и вперед со скоростью несколько раз в микросекунду, спустя много времени после того, как система должна была термализоваться.
«Это выглядело так, будто вы бросили кубик льда в горячую воду, и он не просто таял», — сказал он.
Михаил Лукин , физик Гарвардского университета и руководитель группы учёных.
«Мы видим, как лед тает, затем кристаллизуется, а затем тает и снова кристаллизуется», — сказал он.
«Это что-то очень необычное».
Физики назвали это странное поведение «многочастичным квантовым рубцеванием».
Атомы словно несут на себе отпечаток прошлого, словно какой-то шрам, который заставляет их снова и снова возвращаться к исходной конфигурации.
За 16 месяцев с момента публикация работы в журнале Nature несколько групп физиков попытались понять природу этих квантовых шрамов.
Некоторые считают, что это открытие может открыть новую категорию того, как взаимодействуют и ведут себя квантовые частицы, ставя под сомнение предположения физиков о том, что такая система неумолимо движется к термализации.
Кроме того, эффект рубцевания может привести к созданию новых типов долговечных квантовых битов, которые станут ключевыми ингредиентами будущих квантовых компьютеров.
Преодоление нулевой вероятности
Физики действительно имели в виду квантовые вычисления при построении системы из 51 атома.Эта система была задумана как квантовый симулятор — машина, предназначенная для моделирования квантовых процессов, которые невозможно изучить другими методами с помощью классического компьютера.
Когда-то эта система была крупнейшим квантовым симулятором из всех.
Атомы Гарвардской машины служат кубитами, а их состояния, основные или возбужденные, называются Ридбергиан .
Исследователи могут настроить систему, изменив, например, силу взаимодействия атомов друг с другом.
Исследователи подготовили несколько исходных последовательностей основного и возбужденного состояний атомов.
Поскольку атомы активно взаимодействуют друг с другом, они должны прийти к термализации.
Но вместо взаимодействий, напоминающих взаимодействия молекул в газе, атомы в такой квантовой системе образуют своего рода глубокую квантовую связь, известную как запутанность.
«И тогда путаница распространяется», — сказал Лукин.
«Вот как происходит термализация».
Михаил Лукин
И обычно путаница в симуляторе нарастала.
Однако когда исследователи провели эксперимент, расположив атомы в последовательности чередующихся возбужденных и основных состояний, частицы сначала приобрели запутанность, а затем потеряли ее, колеблясь взад и вперед от исходной конфигурации.
Такое поведение казалось маловероятным, граничащим с невозможным.
Как только атомы начнут взаимодействовать, их чередующаяся последовательность должна очень быстро забыться, поскольку атомы могут переходить в огромное количество возможных последовательностей возбужденного и основного состояний.
Это похоже на пример с воздушным шаром, молекулы воздуха из которого оставляют свою первоначальную конфигурацию и разносятся по комнате.
Мест для их распространения огромное количество, поэтому вероятность того, что они все случайно вдавятся обратно в цилиндр, практически равна нулю.
«Квантовая система может существовать в таком количестве возможных состояний, что ей будет крайне сложно вернуться в исходное состояние», — сказал он.
Златко Папич , физик из Университета Лидса в Англии.
Однако Лукин говорит, что именно это они и наблюдали.
По словам Папича, у системы есть особая физика, которая позволяет ей вернуться по своему собственному пути.
«Она оставляет за собой след из хлебных крошек и возвращается к началу».
«Это первое настоящее открытие, сделанное с помощью квантовой машины», — сказал Лукин.
Лукин и его коллеги начали описывать эксперимент, но еще до публикации статьи Лукин описал его на конференции в Триесте, Италия, в июле 2017 года.
«Мы не знали, как это понять», — сказал Папич, находившийся в аудитории.
тот день.
«Я не думаю, что у кого-то из присутствующих были идеи объяснить, почему это произошло».
Шрамы на стадионе
Однако вскоре Папич и его коллеги поняли, что такое поведение напоминает феномен, открытый около 30 лет назад. В 1980-е годы физик ЭРик Геллер из Гарварда изучал квантовый хаос: что произойдет, если мы применим квантовую механику к хаотическим системам? В частности, Геллер рассматривал отскоки мячей внутри» Стадион Бунимовича » – прямоугольный стол со скругленными углами.Система хаотична, за достаточно долгое время мяч пройдет внутри по всем возможным траекториям.
стадион .
Но если запустить мяч под определенным углом, он всегда будет следовать по одной и той же траектории.
В мысленном эксперименте Геллер заменил шар квантовой частицей.
«Наивное ожидание состоит в том, что если наша классическая система уже хаотична», — сказал Папич, то после добавления правил квантовой механики «мы должны ожидать, что ее поведение станет еще более хаотичным».
Волновая функция частицы — абстрактная математическая совокупность ее квантовых свойств — должна распространяться по стадиону, как волны распространяются по пруду.
Вероятность найти частицу в определенном месте стадиона должна быть одинакова для всех его точек.
Частица, помещенная на стадионе Бунимовича, может иметь траектории рубца, где вероятность ее обнаружения высока.
Однако Геллер обнаружил, что волновая функция не распространяется равномерно, а накапливается по путям, повторяющим траекторию классического примера, по которому бесконечно движется шар.
Волны как будто запоминают эту особую траекторию.
«Это похоже на возвращение волны домой», — сказал Геллер.
«Они хотят вернуться на место своего рождения».
Это так просто.
" На этой траектории волновая функция частицы конструктивно интерферирует сама с собой, добавляя пики к пикам и провалы к провалам.
В результате частица, скорее всего, окажется где-то на этом пути.
На графике распределение вероятностей напоминает размытую версию классических периодических траекторий.
«Мне они кажутся шрамами», — сказал Геллер.
Поэтому в моем работа В 1984 году он их так назвал.
Возможно, подобное явление могло бы объяснить тот факт, что система из 51 атома возвращается к своей первоначальной конфигурации, подумал Папич.
Возможно, она тоже скучает по дому.
Разрез, оставляющий шрам
Чтобы это выяснить, Папич и коллеги проанализировано квантовые состояния модели системы из 51 атома.Они обнаружили, что его странное колебательное поведение действительно напоминает квантовые рубцы Геллера.
Они определили условия, которые напоминали те особые случаи, которые соответствовали траекториям рубцов.
Периодически возвращаясь в эти состояния, система могла избежать термализации.
Связь с квантовым рубцеванием была настолько сильной, что в последний год своего существования работа , опубликованную в журнале Nature Physics, они назвали это явление «многочастным квантовым рубцеванием».
Несмотря на первоначальный скептицизм, вызванный анализом Папича, Лукин, как и Вэнь Вэй Хо , физик из Гарварда и другие установили более тесную связь с квантовыми рубцами в работа , опубликовано в январе.
Они определили классический способ описания состояния системы из 51 атома как точки в абстрактном пространстве.
При изменении состояния системы точка перемещается в пространстве.
Исследователи обнаружили, что когда система испытывает странные колебания, точка качается взад и вперед, как мяч на специальной периодической траектории, проложенной на бильярдном столе стадиона.
Ээкспериментальная установка, в которой исследователи создали квантовый симулятор
Найдя классическую аналогию, исследователи поддержали утверждение, что явление одной частицы Хеллера применимо и к многочастичной системе.
«Эти ребята явно что-то обнаружили», — сказал Геллер.
"Определенно.
" Ясно одно: этот эксперимент вызвал интерес исследователей со всего мира.
Одна группа из Калифорнийского технологического института определенный математические выражения, представляющие некоторые особые состояния системы из 51 атома.
Другой, из Принстона, предложенный что шрамы могут быть частью более общего явления, применимого к различным областям физики конденсированного состояния.
«Мы думаем, что понимаем, что происходит в этой системе», — сказал Хо.
«Однако у нас до сих пор нет обобщенного метода поиска других траекторий шрамов».
Остаются более глубокие вопросы.
«Шрамы — полезное описание проблемы», — сказал Ведика Кемани , физик из Гарварда, не связанный с экспериментом.
«Но я не думаю, что у нас есть настоящее понимание того, что заставляет их происходить».
Структура в случайности
Несмотря на все эти неизвестные, многочастичное рубцевание представляет большой интерес для физиков, поскольку может представлять собой новый класс квантовых систем.В последние несколько лет физики изучают другой аналогичный класс — многочастичную локализацию, при которой случайные дефекты препятствуют термализации системы.
В качестве аналогии представьте себе стадо коров, идущих по ровному полю.
В конечном итоге коровы должны разойтись по разным местам — назовем это термализацией коров.
Но если на поле будут случайные холмы, коровы окажутся в низине.
Точно так же система квантовых рубцов многих тел не является хаотичной системой, склонной к термализации.
Но холмов в нем тоже нет. «Эта работа предполагает новый класс систем, который находится где-то посередине», — сказал Папич.
Чтобы объяснить эффект рубцевания, новый анализ Кемани предполагает, что система из 51 атома может быть Интегрированная система (или приблизиться к нему).
Это особый, изолированный случай системы со многими ограничениями и функциями, настроенными для предотвращения ее термализации.
Итак, если система рубцов интегрируема, это может быть уникальным случаем в более широком классе явлений.
Физики изучают интегрируемые системы на протяжении десятилетий, и если система окажется интегрируемой, сказал Папич, последствия этого факта будут не такими интересными, как если бы эта квантовая система оказалась уникальной.
Папич, Хо и Лукин писали работа , что приводит аргументы против такой возможности.
Но если рубцевание окажется новым классом квантового поведения, это открытие указывает на заманчивую возможность улучшения квантовых компьютеров.
Одной из проблем создания квантового компьютера является необходимость защитить его хрупкие кубиты.
Любое возмущение или нарушение окружающей среды может привести к термализации кубитов, стирая всю хранящуюся в них информацию, делая компьютер бесполезным.
«Если мы сможем найти общий способ введения рубцов в другие системы, мы сможем защитить квантовую информацию в долгосрочной перспективе», — сказал Хо.
Рубцевание может тогда дать компьютеру возможность сохранить сохраненные данные, предотвращая стирание прошлого хаосом термализации.
«Существует некая красивая структура, которая каким-то образом сохраняется в совершенно случайной среде», — сказал Папич.
– Какая физика позволяет этому процессу работать? Это глубокий и многогранный вопрос, который охватывает многие области физики, и этот эффект является одним из его проявлений».
Теги: #Квантовые технологии #Популярная наука #лазеры #Эксперименты #квантовая физика #термализация #шрамы #рубидий
-
Ноутбук Acer Aspire As3820T-372G32Mn
19 Oct, 24 -
Стоит Ли Покупать Электронную Книгу?
19 Oct, 24 -
В Сеть Попала Спецификация Kinect 2.0
19 Oct, 24 -
Хобби Для Гика Или 120 В Момент Сброса Газа.
19 Oct, 24 -
Будет Ли Веб 3.0?
19 Oct, 24
