Если добавить сливки в утренний кофе, вокруг чашки появятся облачка белой жидкости. Но через несколько секунд эти облака испарятся, и перед вами останется обычная чашка с коричневой жидкостью.
Аналогичные явления происходят с квантовыми компьютерными чипами, которые используют странные особенности мира в его мельчайших размерах, где информация может быстро перемешаться, что ограничивает объем памяти этих приборов.
Но это не обязательно так, считает Рахул Нандкишор, доцент физики из Университета Колорадо в Боулдере.
Совершив большой прорыв в теоретической физике, он и его коллеги с помощью математики доказали, что ученые могут создать условия, при которых молоко и кофе никогда не смешаются - как бы сильно вы их ни перемешивали.
Результаты работы группы могут привести к значительным улучшениям в квантовых компьютерных чипах, предоставив инженерам новые методы хранения данных в чрезвычайно маленьких вещах.
"Подумайте о первоначальных вихревых узорах, которые появляются, когда вы добавляете сливки в утренний кофе", - говорит Нандкишор, старший автор нового исследования. "Представьте, если бы эти узоры продолжали вихриться и танцевать независимо от того, как долго вы за ними наблюдаете".
Исследователи должны продолжать проводить тесты в лаборатории, чтобы убедиться, что эти бесконечные вихри действительно мыслимы. Однако результаты работы группы представляют собой значительный шаг вперед для физиков, работающих над созданием материалов, которые остаются вне равновесия в течение длительных периодов времени - цель, известная как "нарушение эргодичности".
Результаты работы команды были опубликованы на этой неделе в свежем выпуске журнала Physical Review Letters.
Квантовая память
Статья, написанная в соавторстве с Дэвидом Стивеном и Оливером Хартом, постдокторскими исследователями в области физики в CU Boulder, посвящена распространенной трудности в квантовых вычислениях.
Обычные компьютеры используют "биты", которые состоят из нулей и единиц. Нандкишор говорит, что в квантовых компьютерах используются "кубиты", которые могут быть нулем, единицей или одновременно нулем и единицей из-за странностей квантовой физики. Инженеры создали кубиты из различных материалов, включая отдельные атомы, захваченные лазером, и небольшие устройства, известные как сверхпроводники.
Но, как и чашка кофе, кубиты легко перепутать. Если, например, перевернуть все кубиты в одну сторону, они будут постепенно перемещаться туда-сюда, что приведет к беспорядку во всем чипе.
В своем последнем исследовании Нандкишор и его коллеги, возможно, нашли решение, как преодолеть эту склонность к перемешиванию. В ходе исследования было установлено, что если ученые организуют кубиты определенным образом, то эти сборки будут сохранять свою информацию даже при воздействии магнитного поля или других помех. По словам ученого, это может позволить инженерам создавать гаджеты, обладающие квантовой памятью.
"Это может быть способом хранения информации", - продолжил он. "Вы можете записывать информацию в эти узоры, и она не будет подвергаться деградации".
Занимаясь геометрией
Исследователи использовали методы математического моделирования, чтобы представить себе массив из сотен и тысяч кубитов, организованных в шахматную клетку.
Решение, как они поняли, заключается в том, чтобы втиснуть кубиты в крошечное пространство. Если кубиты соберутся достаточно близко друг к другу, продолжает Надкишор, они могут повлиять на поведение своих соседей, подобно толпе, пытающейся втиснуться в телефонную будку. Некоторые из них могут стоять прямо или на голове, но они не могут повернуться в другую сторону, не толкнув всех остальных.
Исследователи пришли к выводу, что если правильно структурировать эти узоры, то они могут обтекать чип квантового компьютера и никогда не разрушаться, подобно тому, как облака сливок клубятся в вашем кофе.
"Самое замечательное в этом исследовании то, что мы обнаружили, что можем понять это фундаментальное явление с помощью почти простой геометрии", - сказал Нандкишор, ведущий автор исследования.
Результаты работы команды могут иметь далеко идущие последствия не только для квантовых вычислений.
Нандкишор говорит, что практически все в космосе, от чашки кофе до огромных морей, стремится к тому, что ученые называют "тепловым равновесием". Например, если вы положите в кружку кубик льда, тепло от кофе растопит лед, в результате чего образуется жидкость с постоянной температурой.
Однако его последние результаты пополняют растущий массив исследований, указывающих на то, что некоторые мизерные группы материи могут нарушать это равновесие, нарушая, похоже, некоторые из самых незыблемых принципов Вселенной.
"Нам не придется переделывать математику для льда и воды", - объясняет Нандкишор. "Математическая дисциплина, известная как статистическая физика, чрезвычайно хорошо объясняет явления, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни. Однако бывают ситуации, в которых она может быть неприменима.