Квантова спінова рідина: вчені вперше отримали новий стан матерії

Те що існує квантова спінова рідина пророкували ще півстоліття тому, але експериментально отримали лише зараз

У 1973 році фізик Філіп В. Андерсон висунув теорію про існування нового стану матерії, яке дало б вагому перевагу в гонці за надшвидкими квантовими комп’ютерами.

Цей стан отримав назву квантова спінова рідина. Щоправда, до рідини вона насправді не має жодного стосунку. Так стан матерії назвали через магніти, які ніколи не замерзають, і того, як у них обертаються електрони.

У звичайних магнітах, коли температура падає нижче за певну позначку, електрони стабілізуються і утворюють тверду матерію з магнітними властивостями. У квантовій спіновій рідині електрони не стабілізуються при охолодженні, не перетворюються на тверде тіло і постійно змінюються і флуктуюють (як рідина) в одному з найзаплутаніших квантових станів, коли-небудь виявлених вченими.

Особливі властивості квантових спінових рідин дозволяють знайти перспективні застосування цього стану матерії, у тому числі у високотемпературних надпровідниках та квантових комп’ютерах. Але була одна серйозна перешкода: ніхто ніколи не бачив і не підтверджував існування квантового спінового рідкого стану. До теперішнього часу. Тепер група фізиків із Гарварду експериментально задокументировала цей довгоочікуваний екзотичний стан матерії.

Автори дослідження зазначають, що екзотичні властивості квантових спінових рідин можуть стати ключем до створення більш надійних квантових бітів, відомих як топологічні кубити, які, як очікується, будуть стійкими до шуму та зовнішніх перешкод.

Дослідники мали намір спостерігати цей рідкий стан матерії за допомогою програмованого квантового симулятора, розробленого лабораторією у 2017 році. Симулятор являє собою свого роду квантовий комп’ютер, який дозволяє створювати програмовані форми, такі як квадрати, стільники або трикутні ґрати, для проектування різних взаємодій та зчеплень між ультрахолодними атомами.

Ідея використання квантового симулятора полягала в тому, щоб мати можливість відтворити ту саму мікроскопічну фізику, що і в системах конденсованого стану, але зі свободою, яку дозволяє програмування системи.

У звичайних магнітах спіни електронів спрямовані вгору чи вниз за деякою регулярною схемою. Наприклад, у звичайному магніті для холодильника всі обертання “налаштовані” в одному напрямку.

Квантові спінові рідини не мають цього магнітного порядку. Для цього дослідження команда організувала атоми у трикутні ґрати. Це означає, що кожен з них має двох найближчих сусідів. Пара електронів може магнітно стабілізуватися, тому що їхні спіни можуть або збігатися, або чергуватись, але наявність третього колеса порушує цей баланс, створюючи «фрустрований магніт».

Квантова спінова рідина, що виходить в результаті, демонструє кілька корисних квантових явищ, таких як заплутаність, коли атоми можуть впливати один на одного на величезних відстанях і навіть «телепортувати» інформацію, і квантову суперпозицію, коли атоми можуть існувати в декількох станах одночасно.

Дослідники планують продовжити роботу із симулятором, щоб з’ясувати, як саме квантові спінові рідини можна використовувати для створення надійних кубітів. Кубіти – це фундаментальні будівельні блоки, на яких працюють квантові комп’ютери, і джерело їхньої величезної обчислювальної потужності.