Некоторые фазы материи не могут быть описаны с помощью традиционных представлений о нарушении симметрии и демонстрируют так называемый квантовый порядок. Топологический порядок — один из видов квантового порядка — характеризуется дальним запутанностью 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 основной 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.
Тyler D. Ellison, старший автор статьи, рассказал Phys.org: «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».
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 неисправных операций (например, потери 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, могут быть использованы для характеристики квантовых систем при ненулевой температуре».
Когда Эллисон и его коллеги впервые начали проводить своё исследование, они не ставили целью обнаружить новые трёхмерные квантовые фазы материи, а изучали квантовые фазы материи, возникающие в «шумных» системах. Тем не менее их усилия в 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», — объяснил 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 в пользу того, что в 2D таких квантовых фаз материи не существует, и до нашей работы в сообществе считалось, что эти аргументы справедливы и для 3D. 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 пример квантовой фазы материи, которую можно реально использовать для проектирования квантовых систем в равновесии. 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 — изучить, 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 — разработать простые методы диагностики, позволяющие определить, удалось ли нам успешно подготовить фазу материи. Как только у нас появится экспериментальная реализация, это откроет двери для изучения экзотических свойств квантовых фаз материи при ненулевых температурах».