Но за внедрением квантовых технологий в практическую сферу стоят фундаментальные вопросы: как именно ведут себя частицы вещества — электроны, атомы, фотоны — если к ним «подойти» нестандартно, например, не просто поместив в магнитное поле, а постоянно меняя это поле во времени. Новое теоретическое исследование физиков из Калифорнийского политехнического университета (Cal Poly) показывает, что такое управление может рождать экзотические квантовые состояния, которых в материалах, которые находятся в покое, вообще не существует.
Иэн Пауэлл и Луи Бухальтер решили выяснить, как на квантовую систему влияет периодическое изменение магнитного поля. В классическом представлении свойства материала определяются его составом и структурой. Но результаты нового исследования показали: важен не только сам материал, но и то, как его «раскачивают» во времени.
«В общих чертах это шаг к пониманию того, как временное управление может создавать и организовывать новые формы квантовой материи», объясняет Пауэлл. Если магнитное поле менять по заданному циклу, система входит в так называемые состояния Флоке — устойчивые режимы, которые не имеют статического аналога. Иными словами, такие квантовые состояния возможны только в «подогреваемой» во времени системе.
Практический интерес в этой сфере прежде всего у квантовых вычислений и квантового моделирования. В реальных устройствах главной проблемой является хрупкость квантовых состояний: любые помехи или дефекты вызывают ошибки. Правильно подобранные временные режимы поля, как показывают расчеты, могут сделать некоторые квантовые фазы более устойчивыми к помехам. Это потенциально важный шаг к созданию надежных, помехоустойчивых кубитов — квантовых аналогов нулей и единиц, на которых будут основаны компьютеры будущего.
Еще один результат работы — выявление необычной математической структуры в поведении системы. В ее топологической фазовой диаграмме обнаружились узоры, характерные для более высокоразмерных квантовых моделей. Это значит, что относительно простые, периодически возбуждаемые системы можно использовать как «лаборатории» для изучения куда более сложной физики, не выходя за рамки доступных ученым экспериментов, например, с ультрахолодными атомами.
Пока что физики получили только теоретические результаты, и следующий важный шаг — их экспериментальное подтверждение в конкретных квантовых платформах: ловушках с холодными атомами, сверхпроводящих схемах, топологических материалах. Лишь после этого можно будет говорить о прямом практическом внедрении — от моделирования молекул в фармакологии до оптимизационных задач в финансах и разработке новых материалов.
Ранее ученые научились управлять сложными формами квантового сжатия.