Группа физиков из Технического университета Мюнхена (TUM), Принстонского университета и Google Quantum AI использовала квантовый процессор на 58 сверхпроводящих кубитах для создания и наблюдения состояния Флокке с топологическим порядком. Это квантовая фаза вещества, существование которой предсказывалось теоретически, но никогда ранее не наблюдалась экспериментально. Учёные смогли непосредственно визуализировать направленное движение частиц на границе этого состояния и разработали новый интерферометрический алгоритм для исследования его топологических свойств. Это позволило им наблюдать динамическую «трансмутацию» экзотических частиц — явление, предсказанное теоретически для таких состояний.
В отличие от обычных фаз вещества, так называемые неравновесные квантовые фазы определяются их динамическими и изменяющимися во времени свойствами — поведением, которое не может быть описано традиционной термодинамикой равновесных систем. Один из наиболее богатых классов неравновесных состояний возникает в системах Флокке — квантовых системах, которые периодически воздействуются внешним полем. Это ритмичное воздействие может приводить к совершенно новым формам порядка, которые не могут существовать в равновесных условиях, открывая явления, принципиально недоступные для изучения в обычных фазах вещества.
«Сильно запутанные неравновесные фазы чрезвычайно трудно моделировать с помощью классических компьютеров», — говорит первый автор работы Мелисса Вилл, аспирант физического факультета TUM. «Наши результаты показывают, что квантовые процессоры — это не просто вычислительные устройства, а мощные экспериментальные платформы для открытия и исследования совершенно новых состояний материи».
Авторы работы непосредственно наблюдали характерные направленные движения на границе созданного состояния и использовали новый интерферометрический алгоритм для изучения его топологических свойств. Топологические свойства — это свойства, которые сохраняются даже при деформациях системы. Интерферометрия — это метод измерения, основанный на интерференции волн.
Работа открывает новую эру квантового моделирования, где квантовые компьютеры становятся лабораториями для изучения обширного и в значительной степени неисследованного ландшафта неравновесной квантовой материи. Полученные знания могут иметь далеко идущие последствия, от понимания фундаментальной физики до разработки квантовых технологий нового поколения.
Полученные результаты могут привести к разработке новых материалов и технологий, основанных на принципах квантовой механики.