Впервые международная группа учёных экспериментально смоделировала спонтанное нарушение симметрии (ССН) при нулевой температуре с помощью сверхпроводящего квантового процессора. Это достижение, выполненное с точностью более 80%, стало важной вехой для квантовых вычислений и физики конденсированных сред.
Результаты [опубликованы](https://www.nature.com/articles/s41467-025-57812-8) в журнале Nature Communications.
Система начала с классического антиферромагнитного состояния, в котором спины частиц чередуются между одним направлением и противоположным. Затем она перешла в ферромагнитное квантовое состояние, в котором все частицы имеют спины, направленные в одну сторону, и устанавливают квантовые корреляции.
«Система начала с конфигурации переворота спинов и эволюционировала спонтанно, перестраиваясь с выровненными в одном направлении спинами. Этот фазовый переход обусловлен нарушением симметрии», — резюмирует Алан Сантос, физик, работающий в Институте фундаментальной физики Испанского национального исследовательского совета (CSIC) и соорганизатор теоретической группы, участвующей в исследовании.
В то время, когда работа была разработана, Сантос был постдоком FAPESP на кафедре физики Федерального университета Сан-Карлоса (UFSCar) в штате Сан-Паулу, Бразилия. Исследование проводилось учёными из Южного университета науки и технологий в Шэньчжэне, Китай; Орхусского университета в Орхусе, Дания; и UFSCar.
«Ключевым моментом было моделирование 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.
Стоит помнить, что абсолютный ноль недостижим физически, поскольку он эквивалентен полной неподвижности материальной системы. Исследователи смоделировали, что произошло бы с системой при нулевой температуре, с помощью квантовых вычислений. В эксперименте использовалась квантовая схема из семи кубитов, расположенных в конфигурации, которая допускает взаимодействие только между ближайшими соседями. Они применили алгоритм для моделирования 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. Запутанность — одно из наиболее важных и отличительных свойств квантовой механики. Она относится к ситуации, в которой два набора частиц коррелированы 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 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.
С практической точки зрения 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 для этого потребуется. Некоторые вычисления, такие как разложение огромных чисел на два простых числа, заняли бы у классических компьютеров миллионы лет, но могут быть выполнены гораздо быстрее на квантовых компьютерах.
Было бы нелогично использовать классический компьютер для моделирования квантовых систем. Иногда это невыполнимая задача. Исследование, о котором идёт речь, показало, что можно использовать ресурсы квантовых вычислений для такого моделирования.
Эксперимент проводился в Южном университете науки и технологий в Шэньчжэне. Шэньчжэнь в настоящее время является одним из самых передовых научных, технологических и промышленных центров на планете. Выбранный в 1980 году в качестве первой «специальной экономической зоны» Китая, город превратился из рыбацкой деревни с населением около 30 000 человек в мегаполис с населением более 17 миллионов. Здесь расположены гигантские компании, которые лидируют на мировом рынке.
В реализации использовались сверхпроводящие кубиты на основе сплавов алюминия и ниобия, которые работают при температурах около одного милликельвина. «Преимущество сверхпроводящих кубитов — их масштабируемость. Технически возможно создать чипы с сотнями таких кубитов», — говорит Сантос.
Концепция нарушения симметрии присутствует во всех областях физики. Вся физика строится вокруг симметрий и их нарушения. «Симметрия даёт нам законы сохранения. Нарушение симметрии позволяет возникать сложным структурам», — говорит Сантос.