Гібридний квантовий комп’ютер зупинив рух частинки невидимим полем

Ще у 1959 році фізики Якір Ааронов (Yakir Aharonov) та Девід Бом (David Bohm) передбачили, що заряджена частинка може зазнати впливу магнітного потоку навіть тоді, коли її траєкторія повністю минає область з магнітним полем. Замість звичайної сили вздовж траєкторії змінюється її квантова фаза.

Квантова фаза описує хвильову сторону частинки й визначає, як різні можливі шляхи інтерферують — посилюють або послаблюють один одного. Саму фазу безпосередньо не видно, але різницю фаз можна виміряти за інтерференційною картиною. Цей ефект, який отримав назву ефект Ааронова–Бома, згодом підтвердили експерименти з реальними електронами. Він став одним із найяскравіших доказів, що квантовий світ підкоряється іншим правилам, ніж класична фізика.

Сьогодні вчені досліджують, як цей ефект поводиться у складніших теоретичних моделях — так званих ґраткових калібрувальних теоріях. У них простір описують як сітку, де матерія розташована в «вузлах», а поля фундаментальних взаємодій — на зв’язках між ними. Такі моделі важливі для фізики елементарних частинок, але їхні обчислення для великих систем стають надзвичайно складними навіть для потужних класичних комп’ютерів.

Гібридна квантова система для моделювання ґратки

Оксфордська команда вирішила підійти до проблеми інакше: замість обчислювати все на звичайному комп’ютері, вони побудували іншу квантову систему, яка підкоряється тим самим правилам, що й теоретична модель. Такий підхід називають квантовою симуляцією.

Проєкт розпочався у 2022 році. Провідний автор доктор Себастіан Санер (Sebastian Saner), доктор Оана Базавен (Oana Băzăvan) та їхні колеги розробляли спосіб симулювати ґраткові калібрувальні теорії за допомогою гібридного квантового комп’ютера у співпраці з доктором Алехандро Бермудесом (Alejandro Bermudez) з Інституту теоретичної фізики в Мадриді.

Експериментальна установка складалася з двох компонентів. Перший — це кубіти, закодовані у внутрішніх станах захоплених йонів, тобто електрично заряджених атомів, утримуваних електромагнітними полями. Ці кубіти відповідали калібрувальним полям у моделі.

Другий компонент — квантові осцилятори, які виникають із коливань тих самих захоплених йонів. Вони представляли матерію. Поєднавши їх, дослідники побудували просту замкнену петлю — найменший «будівельний блок» ґраткової теорії.

У цій петлі два осцилятори описували матерію в двох різних точках простору, а два кубіти — поля на зв’язках між цими точками. Попри малі розміри, така конструкція вже могла відтворити важливу взаємодію між матерією та магнітним потоком.

Заплутані кубіти як магнітний потік

Наступним кроком було створити в цій петлі еквівалент магнітного потоку. Для цього дослідники перевели два кубіти в заплутаний квантовий стан. Квантова заплутаність — це явище, коли декілька квантових систем виявляються пов’язаними так, що їхній спільний стан не можна описати окремо класичними засобами.

У межах змодельованої ґраткової калібрувальної теорії цей заплутаний стан відповідав магнітному потоку, який «проходить» крізь центр петлі. Спершу команда планувала ввести потік як фіксований фон — незмінну зовнішню умову. Однак реалізувати потрібну взаємодію на наявному обладнанні виявилося надто складно.

Тому вчені закодували магнітний потік безпосередньо в стан кубітів. Це стало не лише технічним компромісом, а й перевагою: потік перетворився на частину самої квантової динаміки системи, а не залишався незмінним полем «ззовні». Матерія й поле почали еволюціонувати разом у єдиному квантовому описі.

Як «невидимий» потік зупиняє рух частинки

Маючи готову петлю, науковці дослідили, як «частинка матерії» переміщується між двома точками через квантове тунелювання. Квантове тунелювання дозволяє частинкам переходити між станами так, як це було б неможливо за класичних правил енергетичних бар’єрів.

Коли симуляцію запускали без магнітного потоку, частинка вільно тунелювала навколо петлі. Але введення змодельованого потоку дало приголомшливо інший результат.

Частинка мала два можливі шляхи навколо петлі. Магнітний потік змінював їхні відносні квантові фази. У підсумку ці два шляхи інтерферували деструктивно — їхній квантовий внесок взаємно «знищувався». Така інтерференція повністю пригнічувала тунелювання, і змодельована частинка «застигала» у вихідному стані.

Отже, дослідникам вдалося реалізувати ефект Ааронова–Бома в ґратковій калібрувальній теорії з динамічним полем. На відміну від класичних експериментів, де частинка рухається в полі, заданому наперед, тут і матерія, і поле були представлені взаємодіючими квантовими компонентами одного симулятора.

Новий інструмент для вивчення фундаментальних взаємодій

Результати Оксфорда опубліковані в журналі Nature Physics і супроводжуються пов’язаним дослідженням групи з Університету Меріленда під керівництвом професора Норберта Лінке (Norbert Linke). Мерілендська команда також застосувала гібридну квантову систему, але для симуляції потенціалу Юкави — важливої моделі взаємодії в ядерній і фізиці частинок.

Хоча обидві групи розробляли методики незалежно, згодом вони узгодили спільне подання робіт у той самий журнал. Разом ці експерименти демонструють, що гібридні квантові комп’ютери можуть стати потужним інструментом для дослідження фундаментальних взаємодій, які вкрай важко моделювати класичними обчисленнями.

Поєднуючи різні типи квантових компонентів, вчені можуть будувати системи, де матерія й поля представлені ближче до того, як це відбувається в реальній фізиці. Оксфордський експеримент показує цей потенціал на практиці: явище, вперше передбачене в 1959 році й пізніше спостережене з електронами, тепер відтворене в квантовому симуляторі, де саме поле бере участь у динаміці. Це відкриває нові можливості для вивчення незвичних правил, за якими працює квантовий світ.

Гібридний квантовий комп’ютер зупинив рух частинки невидимим полем з’явилася спочатку на Цікавості.

cikavosti.com