8 Minute
Mașini cuantice dezvăluie noi stări ale materiei
O echipă de oameni de știință care a folosit un procesor cuantic programabil a raportat prima realizare experimentală a unei faze exotice de materie în afara echilibrului: o stare cu ordine topologică Floquet. Această descoperire, obținută pe un dispozitiv cu qubi superconductori, demonstrează că calculatoarele cuantice pot funcționa ca platforme de laborator pentru explorarea fazelor care nu există în condiții de echilibru convențional. Experimentul a fost realizat de cercetători de la Universitatea Tehnică din München (TUM), Universitatea Princeton și Google Quantum AI și publicat în Nature.
Acest articol explică contextul științific din spatele fazelor Floquet și non-echilibru, rezumă abordarea experimentală, evidențiază constatările și implicațiile pentru simularea cuantică și tehnologia cuantică și oferă comentarii de specialitate asupra rezultatului și perspectivelor sale viitoare.
Context științific: echilibru vs. non-echilibru și semnificația ordinii Floquet
Cele mai familiare faze ale materiei — solid, lichid, gaz — sunt înțelese în echilibru termic, unde proprietățile macroscopice rămân constante în timp și pot fi descrise prin termodinamica de echilibru. În contrast, fazele cuantice non-echilibru sunt definite prin dinamica lor dependentă de timp și prin modele care apar doar atunci când un sistem este forțat sau menținut în afara echilibrului. Aceste faze pot găzdui comportamente și ordini care nu au analogue în echilibru.
O clasă proeminentă de sisteme cuantice forțate sunt sistemele Floquet, denumite după matematicianul Gaston Floquet. În fizică, un sistem Floquet este unul condus periodic: un Hamiltonian sau o secvență de control este aplicată repetat în timp. Forțarea periodică poate produce Hamiltonieni eficienți și ordine emergente absente în condiții statice. O posibilitate remarcabilă este ordinea topologică Floquet: modele topologice care apar în evoluția stroboscopică, dependentă de timp, a sistemului, mai degrabă decât dintr-o stare fundamentală statică. Ordinea topologică în materia cuantică este asociată cu caracteristici globale robuste — adesea legate de moduri de margine sau excitații asemănătoare particulelor — care sunt insensibile la perturbații locale. Când aceste trăsături sunt susținute de forțare periodică, apar fenomene dinamice noi, inclusiv curenți de margine direcționați și „transmutarea” exotică a particulelor pe parcursul evoluției în timp.
Înțelegerea acestor faze non-echilibru, puternic entanglate, este atât o provocare teoretică cât și computațională, deoarece tehnicile numerice clasice întâmpină dificultăți în capturarea dinamicii cuantice puternic corelate pe multe grade de libertate. Această limitare este una dintre motivațiile pentru dezvoltarea procesoarelor cuantice ca simulatoare experimentale ale materiei cuantice complexe.
Experiment și metode: un calculator cuantic ca laborator cuantic
Hardware: 58 qubi superconductori
Echipa și-a implementat experimentul pe un procesor cuantic superconducting cu 58 de qubi pus la dispoziție de Google Quantum AI. Qubii superconductori sunt una dintre platformele hardware de vârf pentru dispozitive cuantice programabile; ei permit control precis al interacțiunilor și operațiilor locale, facilitând implementarea secvențelor personalizate care realizează forțarea Floquet dorită.
Protocol: forțare Floquet, imagistică a marginilor și interferometrie
Cercetătorii au proiectat o forțare periodică în mai multe etape care, aplicată repetat asupra aranjamentului de qubi, a generat semnăturile așteptate pentru ordinea topologică Floquet. Două capabilități experimentale au fost esențiale: (1) imagistica directă a mișcării direcționate a marginilor — rezolvarea fizică a modului în care excitațiile se propagă în jurul limitei rețelei de qubi — și (2) un algoritm interferometric nou, conceput pentru a investiga invarianți topologici globali codificați în evoluția în timp. Împreună, aceste măsurători au furnizat atât imagini dinamice locale (curenți de margine care se deplasează într-o direcție preferată), cât și dovezi globale (înfășurare de fază și marcatori topologici) că sistemul ocupa faza topologică Floquet prezisă.
Echipa a observat, de asemenea, o formă dinamică de transmutare a particulelor, un semnal teoretic prevăzut pentru acest tip de ordine topologică non-echilibru: excitațiile își schimbă caracterul pe măsură ce traversează sistemul forțat și ciclul periodic, în concordanță cu constrângerile topologice impuse de protocolul Floquet.
Descoperiri cheie și implicații științifice
- Prima realizare experimentală directă: Experimentul reprezintă prima observare directă a unei stări cu ordine topologică Floquet într-un dispozitiv cuantic programabil și controlat. Înainte de acest lucru, faza fusese propusă teoretic, dar lipsea confirmarea experimentală.
- Dinamica la margine și topologia: Prin imaginarea mișcării la margine și aplicarea probelor interferometrice, cercetătorii au legat fenomenele dinamice locale (curenți direcționați la frontieră) de structura topologică globală, demonstrând experimental cum forțarea periodică poate crea mișcare direcțională robustă, protejată de topologia sistemului.
- Procesoare cuantice ca instrumente de descoperire: Rezultatele subliniază un paradigm în creștere în care procesoarele cuantice servesc nu doar ca mașini pentru calcul, ci și ca platforme experimentale pentru simulare cuantică. Ele permit pregătirea, controlul și măsurarea stărilor cuantice multi-particulă care sunt altfel intratabile pe hardware clasic.
- Imlicații mai largi: Observarea fazelor topologice non-echilibru deschide noi căi în fizica fundamentală — aprofundând înțelegerea ordinii dependente de timp, a entanglementului cuantic și a protecției topologice. În cercetarea aplicată, aceste fenomene pot inspira principii de proiectare pentru protocoale robuste de informație cuantică, memorii cuantice protejate topologic sau materiale proiectate cu răspunsuri dinamice controlate.
Expert Insight
Dr. Karen Alvarez, fiziciană în materia condensată și comunicatoare științifică, a comentat: "Acest experiment este o demonstrație clară că dispozitivele cuantice programabile pot realiza faze de materie cu adevărat noi. Combinația de control cu fidelitate ridicată și citire interferometrică țintită a permis echipei să treacă de la predicția teoretică la observația empirică. Această capacitate va accelera atât descoperirile fundamentale, cât și progresele practice în tehnologiile cuantice."
Comentariul expert reflectă modul în care rezultatul unește teorie, experiment și inginerie de dispozitive și de ce capacitatea de a investiga direct dinamica pe un procesor cuantic contează pentru cercetările viitoare.
Tehnologii conexe și perspective viitoare
Scalare și coerență: Aranjamente mai mari de qubi și îmbunătățiri în timpii de coerență și fidelitatea porților vor permite pregătirea și studiul unor faze non-echilibru mai complexe. Scalarea este crucială pentru detectarea ordinii topologice cu lungimi de corelație mai mari și pentru reducerea efectelor de mărime finită.
Progrese algoritmice: Algoritmul interferometric introdus în această lucrare este un exemplu de protocoale specializate native cuantice care extind setul de instrumente de măsurare disponibile pe procesoarele cuantice. Dezvoltările viitoare ar putea include tomografie cu atenuare a erorilor, benchmarking aleatorizat adaptat la dinamica multi-particulă și abordări variaționale pentru pregătirea stărilor conduse exotice.
Aplicații în informația cuantică: Fenomenele protejate topologic — fie statice, fie conduse — sunt atractive pentru informația cuantică deoarece pot oferi robustețe intrinsecă împotriva unor tipuri de zgomot. Deși calculul cuantic topologic practic rămâne un obiectiv pe termen lung, valorificarea protecției proiectate Floquet poate oferi abordări intermediare pentru îmbunătățirea rezilienței qubi-lor sau implementarea porților protejate.
Oportunități interdisciplinare: Studiul ordinii topologice Floquet se intersectează cu fizica materiei condensate, știința informației cuantice și proiectarea materialelor. Experimentele de simulare cuantică precum acesta vor informa modelele teoretice, vor ghida căutarea de materiale conduse cu proprietăți noi și vor influența fabricarea la scară nanometrică și strategiile de control al dispozitivelor.
Perspectiva experimentală finală
Colaborarea TUM–Princeton–Google demonstrează că procesoarele cuantice programabile sunt acum suficient de mature pentru a emula și dezvălui faze non-echilibru ale materiei anterior neobservate. Combinând controlul precis al unui aranjament superconducting de 58 de qubi cu noi protocoale de măsurare interferometrică, echipa a transformat predicțiile teoretice despre ordinea topologică Floquet într-o realitate empirică. Experimentul deschide calea pentru explorarea sistematică a materiei cuantice conduse, informează dezvoltarea tehnicilor de măsurare native cuantice și subliniază potențialul dispozitivelor cuantice de a acționa ca platforme de descoperire, nu doar ca calculatoare.
Concluzie
Această realizare experimentală a unei stări cu ordine topologică Floquet marchează un reper în simularea cuantică și fizica materiei condensate. Demonstrează că forțarea periodică pe o rețea programabilă de qubi superconductori poate produce dinamici robuste la margine, direcționate și semnături topologice globale care anterior erau doar teoretice. Dincolo de semnificația sa fundamentală, lucrarea semnalează o schimbare în felul în care cercetătorii vor studia sistemele cuantice complexe: procesoarele cuantice devin laboratoare versatile pentru investigarea stărilor non-echilibru, dezvoltarea unor noi algoritmi cuantici și, potențial, proiectarea unor tehnologii cuantice protejate topologic. Rezultatul lărgește înțelegerea noastră despre ce faze ale materiei pot exista când controlul dependent de timp este adăugat în trusa cuantică și deschide numeroase direcții pentru cercetări viitoare la intersecția dintre informația cuantică, știința materialelor și fizica fundamentală.
Sursa: scitechdaily
Comentarii