В 1973 году физик Филип Уоррен Андерсон выдвинул теорию о существовании нового состояния материи — квантовой спиновой жидкости. Но лишь недавно это удалось подтвердить.
Соответствующий эксперимент провели физики из Гарварда в сотрудничестве с лабораторией Маркуса Гринера, исследовательским центром квантовой оптики Макса Планка, а также учеными из Университета Инсбрука и QuEra Computing в Бостоне. Используя программируемый квантовый симулятор, они смогли наблюдать за этим экзотическим состоянием.
В обычных магнитах, когда температура падает ниже определенной, электроны стабилизируются и образуют твердую материю с магнитными свойствами. В квантовой спиновой жидкости электроны не стабилизируются при охлаждении, не превращаются в твердое тело, а постоянно изменяются и флуктуируют (как жидкость) в одном из самых запутанных из когда-либо существовавших квантовых состояний.
«Это особый момент в этой области физики. Вы действительно можете потрогать, проткнуть и толкнуть это экзотическое состояние и манипулировать им, чтобы понять свойства… Это новое состояние материи, которое люди никогда не наблюдали ранее»,
Михаил Лукин
профессор физики Джорджа Фасмера Леверетта, содиректор Гарвардской квантовой инициативы и один из главных авторов исследования.
Особые свойства квантовых спиновых жидкостей могут применяться, например, для развития таких квантовых технологий, как высокотемпературные сверхпроводники и квантовые компьютеры. Также эти жидкости могут стать ключом к созданию более надежных квантовых битов, известных как топологические кубиты, которые должны быть устойчивы к шуму и внешним помехам.
«Изучение того, как создавать и использовать такие топологические кубиты, станет важным шагом на пути к созданию надежных квантовых компьютеров»,
Джулия Семегини
научный сотрудник Центра квантовой оптики Гарварда и Макса Планка и ведущий автор исследования.
Программируемый квантовый симулятор, разработанный в 2017 году, представляет собой своего рода квантовый компьютер, который позволяет исследователям создавать программируемые формы, такие как квадраты, соты или треугольные решетки, для проектирования различных взаимодействий и сцепления между ультрахолодными атомами. Он используется для изучения множества сложных квантовых процессов. Идея использования квантового симулятора состоит в том, чтобы воспроизвести ту же микроскопическую физику, что и в системах конденсированного состояния. Исследователи получили возможность раздвигать атомы так далеко, как хотели, и изменять частоту лазерного излучения, рассмотреть каждый атом и увидеть, что он делает.
В обычных магнитах спины электронов направлены вверх или вниз по некоторой схеме. Например, в обычном магните для холодильника все спины направлены в одном направлении. Это происходит потому, что спины обычно работают по схеме «шахматная клетка» и могут соединяться так, что указывают в одном направлении или чередуются, сохраняя определенный порядок. Квантовые спиновые жидкости не обладают магнитным порядком из-за дополнительного третьего спина. Он превращает узор в треугольник. В то время как пара всегда может стабилизироваться в том или ином направлении, третий спин всегда будет нечетным электроном в треугольнике. Это создает «фрустрированный» магнит, когда спины электронов не могут стабилизироваться в одном направлении. По сути, они находятся в разных конфигурациях одновременно с определенной вероятностью. Это основа квантовой суперпозиции.
Ученые из Гарварда использовали симулятор, чтобы создать свой собственный паттерн, поместив туда атомы для взаимодействия и запутывания. Затем они смогли измерить и проанализировать струны, соединяющие атомы после того, как вся структура запуталась. Наличие и анализ этих струн, которые называются топологическими струнами, означает, что происходили квантовые корреляции и что возникало квантовое спиновое жидкое состояние материи.
Затем исследователи начали изучать возможное применение этого состояния материи для создания надежных кубитов. Они выполнили испытание концепции, которое показало, что однажды станет возможным создать квантовые биты, поместив квантовые спиновые жидкости в специальный геометрический массив с помощью симулятора.
Источник: azoquantum.com, harvard.edu