Некоторые фазы материи не могут быть описаны с помощью общепринятых представлений о нарушении симметрии и демонстрируют так называемый квантовый порядок. Одним из видов квантового порядка является топологический порядок, который характеризуется дальними запутанностями между частицами по всей системе, вырождением основного состояния, зависящим от глобальной формы системы, и устойчивостью к локальным возмущениям.
Топологические фазы материи
Топологические фазы материи обычно возникают при нулевой температуре, поскольку тепловые флуктуации разрушают их и нарушают их порядок. Однако в недавней статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters, исследователи из Нанкинского университета, Йельского университета и других институтов сообщили о новой трёхмерной топологической фазе материи, характеризующейся аномальной симметрией двух форм, которая возникает при ненулевых температурах.
Контроль квантовых систем
За последние несколько лет мы добились значительного прогресса в управлении квантовыми системами на различных платформах: сверхпроводящих кубитах, захваченных ионах, нейтральных атомах, фотонике и так далее, — рассказал Тайлер Д. Эллисон, старший автор статьи, в интервью Phys.org.
Это открыло возможности для создания интересных квантовых состояний и квантовых фаз материи в хорошо контролируемых экспериментах. Однако оборудование несовершенно, и система не полностью изолирована от окружающей среды. Это означает, что квантовая система страдает от сбоев в работе (таких как потеря фотонов) и шума из окружающей среды (например, от частиц космических лучей).
Квантовые системы при ненулевых температурах
Из-за этой ключевой особенности квантовые системы определяются не «чистыми» квантовыми состояниями, а вероятностными распределениями квантовых состояний, возникающими из-за вероятностной природы ошибок, связанных с шумом.
«Аналогично, квантовые системы при ненулевой температуре представляют собой вероятностные распределения чистых квантовых состояний», — сказал Эллисон. «В этом случае распределения возникают из-за тепловых флуктуаций. Мы поняли, что некоторые из тех же теоретических инструментов, которые были разработаны недавно в контексте шумных квантовых систем, можно использовать для характеристики квантовых систем при ненулевой температуре».
Когда они впервые начали проводить своё недавнее исследование, Эллисон и его коллеги не ставили целью открыть новые трёхмерные квантовые фазы материи, а изучали квантовые фазы материи, возникающие в «шумных» системах. Тем не менее их усилия в конечном итоге привели к открытию нового топологического порядка при ненулевых температурах, получившего название фермионный торический код.
«Давно известно, что симметрии играют важную роль в характеристике фаз материи», — пояснил Эллисон. «Жидкости имеют непрерывную трансляционную симметрию, поскольку существует одинаковая вероятность найти атом в любом месте системы, в то время как твёрдые тела имеют дискретную трансляционную симметрию из-за кристаллической структуры, образованной атомами».
Более экзотические фазы материи также отличаются экзотическими симметриями. Некоторые симметрии, известные как аномальные симметрии, настолько экзотичны, что если какая-либо система обладает такой симметрией, то она должна быть сильно запутанной.
В рамках своего исследования Эллисон и его коллеги определили модель для трёхмерной системы, которая демонстрирует аномальную симметрию при ненулевых температурах. Модель, известная как фермионный торический код, является вариантом хорошо известного торического кода, модели, обычно используемой для выполнения квантовой коррекции ошибок и топологических квантовых вычислений.
Они показали, что эта модель демонстрирует аномальную симметрию двух форм при температурах выше абсолютного нуля. Основываясь на своём анализе, исследователи утверждали, что эта система должна быть сильно запутанной при низких температурах.
«Для нас стало полной неожиданностью, что существует квантовая фаза материи в трёх измерениях при ненулевой температуре», — сказал Эллисон.
«Существуют веские аргументы, позволяющие утверждать, что в двух измерениях таких квантовых фаз материи не существует, и до нашей работы в сообществе считалось, что эти аргументы справедливы и для трёх измерений. С другой стороны, известно, что в четырёх пространственных измерениях существуют квантовые фазы материи, которые существуют при ненулевой температуре. Однако это своего рода фантазия, поскольку взаимодействия, реализуемые в экспериментальных условиях, происходят в трёх пространственных измерениях».
Это недавнее исследование представляет первый в истории пример квантовой фазы материи, которую можно реально использовать для проектирования квантовых систем в состоянии равновесия. В рамках будущих исследований Эллисон и его коллеги планируют более подробно изучить вновь открытую фазу материи и изучить её возможные практические применения.
«Наш следующий шаг будет заключаться в изучении того, как спроектировать нашу модель на экспериментальной платформе. Мы ожидаем, что массивы нейтральных атомов идеально подойдут для взаимодействий в нашей модели», — добавил Эллисон.
«Ещё одно важное направление — разработка простых диагностических инструментов для определения того, успешно ли мы подготовили фазу материи. Как только у нас появится экспериментальная реализация, это откроет двери для изучения экзотических свойств квантовых фаз материи при ненулевых температурах», — заключил Эллисон.