Вченим вдалося вперше побачити квантовий фазовий перехід

Фазовий перехід – це те, з чим нам доводиться досить часто стикатися в звичайному житті, наприклад, коли ми спостерігаємо замерзання або танення води при переході точки температури в 0 градусів Цельсія. Фазові переходи відбуваються і на квантовому рівні, але, не дивлячись на їх важливість для деяких областей фізики, квантові фазові переходи практично не вивчені в даний час.

Одним з наочних прикладів квантового фазового переходу є так зване порушення фотонної блокади, явище, відкрите лише близько двох років тому. Суть цього явища полягає в тому, що один з фотонів, що потрапив в пастку оптичної западини (оптичного резонатора) перешкоджає попаданню туди інших фотонів до тих пір поки цей фотон не покине межі западини, чи не буде поглинений матеріалом. Однак, при збільшенні потоку прагнуть потрапити в западину фотонів вище певного критичної межі, явище фотонної блокади порушується і стан цієї квантової системи різко переходить від непрозорого до прозорого. Такий вид квантового фазового переходу спостерігався вченими неодноразово, проте вченим з Австрії вперше вдалося визначити і створити цілий набір умов, при яких стає можливим вивчення даного ефекту.

Під час фазового переходу безперервна зміна значення будь-якого зовнішнього фактора, наприклад, температури, може прискорити або сповільнити перехід системи від одного стабільного стану до іншого. Фазові переходи першого порядку характеризуються одночасним співіснуванням двох стабільних фаз системи, таке стає можливим, коли один з контрольованих параметрів системи знаходиться в діапазоні, близькому до критичної точки, точки фазового переходу. Дві фази формують деяку проміжну змішану фазу, одні частини системи вже зробили фазовий перехід, а інші – ще немає. Як приклад можна взяти ту ж саму воду, що знаходиться в стадії замерзання, в її обсязі присутній і лід і рідка вода, а загальний стан цієї води ще не можна назвати ні рідким, ні кристалічним.

Експериментальна установка, використана австрійськими вченими, складалася з надпровідного чіпа з мікрохвильовим резонатором на його поверхні. Цей резонатор можна розглядати і як оптичну западину, і як квантовий біт, кубіт. Чіп був охолоджений до температури в 0.01 градуса Кельвіна для того, щоб в спостережувані процеси не втручалися теплові коливання. Всередину западини був направлений безперервний потік мікрохвильового випромінювання, а спеціальний датчик реєстрував рівень минулого через резонатор сигналу. Було відмічено, що при певній інтенсивності мікрохвильового випромінювання вихідний сигнал починав стохастически коливатися від 100-відсоткового до нульового рівня, що говорить про наявність змішаної фази системи в момент фазового переходу.

“Нам вдалося вперше спостерігати випадкове перемикання між прозорим і непрозорим станом квантової системи і все це відбувалося в повній відповідності з існуючою теорією” – розповідає Йоганнес Фінк.

Незважаючи на те, що експеримент австрійських вчених має більше відношення до теоретичної фізики, квантові фазові переходи можуть виявитися дуже корисним явищем для створення елементів квантової пам’яті і квантових процесорів. За допомогою цього явища можна буде забезпечити точне керування поточним станом квантової системи, запис і зчитування інформації з квантових бітів і багато іншого.