Топологические квантовые системы — это физические системы, свойства которых зависят от общей связности их основной решётки, а не от локальных взаимодействий и их микроскопической структуры. Предсказать эволюцию этих систем во времени и их квантовые корреляции на больших расстояниях часто бывает сложно, поскольку их поведение не определяется намагниченностью или другими параметрами, связанными с локальными взаимодействиями.
Исследователи из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) недавно смоделировали тип топологического вещества, известного как квантовая спиновая жидкость, используя новый численный подход. Этот подход, описанный в статье, опубликованной в Nature Physics, был продемонстрирован с использованием широко используемого экспериментального протокола, основанного на атомах Ридберга (то есть атомах, в которых один или несколько электронов возбуждены для получения высокоэнергетических состояний).
«Всё началось со статьи, опубликованной Semeghini et al., в которой они экспериментально изучили топологическую спиновую жидкость», — рассказала Phys.org Линда Маурон, первый автор статьи. «Эта статья была весьма важной, поскольку одной из первых наблюдала такое состояние вне теории».
Однако исследователи поняли, что все численные эталоны, как и во многих других экспериментах на платформах с атомами Ридберга, не смогли уловить некоторые ключевые особенности экспериментальной установки и, таким образом, потенциально были некорректно сопоставлены.
Опираясь на более ранние исследования, Маурон и её коллеги решили смоделировать топологическую спиновую жидкость с помощью симулятора на основе атомов Ридберга. Подход, который они использовали, как и несколько других методов численного моделирования, применяемых в прошлом, основан на параметризации квантового состояния, которое изучается.
«Чтобы упростить задачу, вместо того чтобы изучать вероятности каждого возможного состояния (которое для системы из N спинов равно 2^N состояний), мы кодируем квантовое состояние с помощью нескольких параметров, которые вместо этого изучают особенности состояния», — объяснила Маурон.
«В нашем конкретном случае ключевым компонентом было непосредственное кодирование корреляций внутри волновой функции. Это преимущество по сравнению со многими стандартными методами, используемыми для таких симуляций, которые обычно сталкиваются с трудностями, когда запутанность (квантовые корреляции) увеличивается», — добавила она.
Наконец, исследователи использовали широко используемую численную схему для моделирования эволюции квантового состояния, которое они изучали, во времени. Примечательно, что используемая ими схема, известная как схема зависящего от времени вариационного метода Монте-Карло (t-VMC), не требует аппроксимации размера системы, формы её решётки или её временной эволюции.
«Мы продемонстрировали способность нашего подхода точно моделировать экспериментальный протокол на симуляторе атомов Ридберга без каких-либо приближений, при этом сохраняя возможность масштабирования этой схемы до значимых размеров системы», — сказала Маурон. «Как прямое следствие, наше исследование позволяет нам делать выводы о возможностях смоделированного протокола».
Используя свою стратегию численного моделирования, исследователи смогли предсказать значения, которые невозможно получить в реальных экспериментах, такие как топологическая энтропия запутывания квантовой системы. Это важная величина, которая может помочь провести различие между истинно топологическим квантовым состоянием и неупорядоченным квантовым состоянием, которое не является топологически упорядоченным.
В будущем предложенный подход может быть адаптирован и использован другими исследовательскими группами для моделирования состояний квантовой спиновой жидкости и более глубокого изучения их динамики.
«Сейчас мы сосредоточены на способности моделировать дополнительные квантовые устройства и протоколы с использованием подобных методов», — добавила Маурон. «Мы также продолжаем исследовать характеристики состояния, подготовленного с помощью описанного здесь протокола».
© 2025 Science X Network
More from Quantum Physics