Впервые экспериментально имитировано спонтанное нарушение симметрии (ССН) при нулевой температуре
Международная группа учёных впервые экспериментально имитировала спонтанное нарушение симметрии (ССН) при нулевой температуре, используя сверхпроводящий квантовый процессор. Это достижение, выполненное с точностью более 80%, является важной вехой для квантовых вычислений и физики конденсированных сред.
Результаты опубликованы в журнале Nature Communications.
Система перешла из классического антиферромагнитного состояния в ферромагнитное квантовое состояние
Система начала с классического антиферромагнитного состояния, в котором спины частиц чередуются между одним направлением и противоположным. Затем она эволюционировала в ферромагнитное квантовое состояние, в котором все частицы имеют спины, направленные в одну сторону, и устанавливают квантовые корреляции.
«Система начала с конфигурации «флип-флоп» с чередующимися спинами и спонтанно перестроилась, выровняв спины в одном направлении. Этот фазовый переход обусловлен нарушением симметрии», — резюмирует Алан Сантос, физик, работающий в Институте фундаментальной физики Испанского национального исследовательского совета (CSIC) и соорганизатор теоретической группы, участвовавшей в исследовании.
Квантовые вычисления позволили имитировать динамику при нулевой температуре
Ключевым моментом было имитирование динамики при нулевой температуре. Ранее уже проводились исследования такого типа переходов, но всегда при температурах, отличных от нуля. Мы показали, что, установив температуру равной нулю, можно наблюдать нарушение симметрии даже при локальных взаимодействиях частиц между ближайшими соседями», — говорит Сантос.
Использование квантовых вычислений для имитации динамики при нулевой температуре
Стоит помнить, что абсолютный ноль недостижим физически, поскольку он эквивалентен полной неподвижности материальной системы. Исследователи имитировали то, что произошло бы с системой при нулевой температуре, с помощью квантовых вычислений. В эксперименте использовалась квантовая схема из семи кубитов, расположенных в конфигурации, которая позволяет взаимодействия только между ближайшими соседями. Они применили алгоритм для имитации адиабатической эволюции при нулевой температуре.
«Мы разработали схему, а экспериментаторы в Китае реализовали её физически», — говорит Сантос.
Фазовый переход был идентифицирован с помощью корреляционных функций и энтропии Реньи, которые выявили формирование упорядоченных паттернов и квантовой запутанности.
Квантовая запутанность — одно из самых важных и отличительных свойств квантовой механики
Запутанность — это тип корреляции, который не может быть воспроизведён на классических компьютерах. Она относится к ситуации, в которой два набора частиц коррелируют таким образом, что состояние одной частицы мгновенно определяет состояние другой, даже если они разделены большими расстояниями.
Введённая венгерским математиком Альфредом Реньи (1921–1970) в 1960-х годах, энтропия Реньи используется для количественной оценки степени запутанности и её распределения между частями квантовой системы. Она позволяет нам измерить степень, в которой подсистемы запутаны.
Сантос отмечает, что запутанность и суперпозиция — две центральные особенности квантовых вычислений: «Суперпозиция позволяет системе существовать в нескольких состояниях одновременно, что называется квантовым параллелизмом. Запутанность — это тип корреляции, который не может быть воспроизведён на классических компьютерах».
«Чтобы дать вам интуитивное представление, представьте, что у вас есть связка ключей, и вам нужно выяснить, какой из них открывает замок. Классический компьютер проверяет ключи по одному. Квантовый компьютер, напротив, может проверить несколько из них одновременно, что ускоряет обработку», — объясняет Сантос.
Квантовые вычисления могут ускорить решение некоторых математических задач
В практическом плане разница между классическим компьютером и квантовым компьютером сводится к производительности. Оба могут решать одни и те же математически формулируемые задачи в теории. Вопрос в том, сколько времени им потребуется для этого. Некоторые вычисления, такие как разложение огромных чисел на два простых множителя, потребовали бы у классических компьютеров миллионы лет, но могут быть выполнены гораздо быстрее на квантовых компьютерах.
Было бы нелогично использовать классический компьютер для имитации квантовых систем. Иногда это невыполнимая задача. Исследование, о котором идёт речь, показало, что можно использовать ресурсы квантовых вычислений для таких симуляций.