Zespół z Cambridge stworzył nowatorskie, dwuwymiarowe szkło Bose, fazę materii, w której wszystkie cząsteczki pozostają nieruchome, co umożliwia wieczne zachowanie skomplikowanych wzorów.
Odkrycie to daje nadzieję na przełom w obliczenia kwantowew tym lepszą stabilność danych i zmniejszoną dekoherencję.
Fizycy z Cavendish Laboratory w Cambridge stworzyli pierwszą dwuwymiarową wersję szkła Bose, nowej fazy materii, która stanowi wyzwanie dla mechaniki statystycznej. Szczegóły badania opublikowano w czasopiśmie Natura.
Zrozumienie właściwości szkła Bose
Jak sama nazwa wskazuje, szkło Bose ma pewne właściwości szkliste i w nim zlokalizowane są wszystkie cząsteczki. Oznacza to, że każda cząstka w układzie przylega do siebie, nie mieszając się z sąsiadami. Gdyby zlokalizowano kawę, to po dodaniu mleka do kawy skomplikowany wzór czarno-białych pasków pozostałby na zawsze, zamiast rozmyć się do średniej.
Aby stworzyć tę nową fazę materii, grupa nałożyła na siebie kilka wiązek lasera, tworząc wzór quasi-okresowy, wzór o długim zasięgu uporządkowanym jak konwencjonalny kryształ, ale nie okresowy, co oznacza, że podobnie jak płytki Penrose’a nigdy się nie powtarza. Przy wypełnianiu powstałej struktury ultrazimnymi atomami schłodzonymi do temperatur nanokelwinów – bliskich absolutne zeroatomy utworzyły szkło Bose.
Implikacje obliczeń kwantowych
„Lokalizacja to nie tylko jeden z najtrudniejszych orzechów do zgryzienia w mechanice statystycznej, ale może również pomóc w rozwoju obliczeń kwantowych” – powiedział profesor Ulrich Schneider, profesor fizyki wielu ciał w Cavendish Laboratory, który kierował badaniem. Ponieważ zlokalizowany system nie mieszałby się z otoczeniem, informacja kwantowa przechowywana w zlokalizowanym systemie byłaby zachowana znacznie dłużej.
„Dużym ograniczeniem dużych systemów kwantowych jest to, że nie możemy ich modelować na komputerze” – powiedział Schneider. „Aby dokładnie opisać system, musimy wziąć pod uwagę wszystkie jego cząstki i wszystkie ich możliwe konfiguracje, a liczba ta rośnie bardzo szybko. Mamy jednak teraz prawdziwy przykład 2D, który możemy bezpośrednio zbadać i obserwować jego dynamikę i statystyki”.
Badania nad symulacją kwantową
Schneider i jego zespół skupiają się na badaniach nad symulacją kwantową i kwantową dynamiką wielu ciał. Wykorzystują ultrazimne atomy do badania efektów zachodzących w wielu ciałach, których w przypadku braku dużego, pełnego komputera kwantowego nie można symulować numerycznie.
Bardzo często problem ten znacznie się upraszcza, ponieważ system zawsze przechodzi w stan termiczny, w którym ważna jest tylko temperatura systemu, a większość innych szczegółów znika. Nazywa się to zjawiskiem ergodycznym i stanowi podstawę mechaniki statystycznej, jednego z filarów naszego rozumienia materii. „Na przykład wystarczy znać ilość wlanego mleka, aby przewidzieć ostateczny kolor naszej kawy po długim mieszaniu” – wyjaśnił Schneider. „Jeśli jednak chcemy przewidzieć pełną strukturę białych i ciemnych zawirowań podczas mieszania, ważne jest, aby wiedzieć, gdzie wlano mleko i jak dokładnie odbywa się mieszanie”.
Co ciekawe, szkło Bose sprawia wrażenie nieergodycznego. Oznacza to, że nie „zapomina swoich szczegółów”, dlatego modelowanie go będzie wymagało wszystkich szczegółów. To czyni go głównym kandydatem do lokalizacji wielu ciał.
Długoterminowe aspiracje i odkrycia
„Długoterminowym dążeniem jest znalezienie systemu lub materiału charakteryzującego się lokalizacją na wielu ciałach” – powiedział dr Jr-Chiun Yu, pierwszy autor badania. „Taki materiał oferowałby wiele nowych możliwości, nie tylko w badaniach podstawowych, ale także w budowie komputerów kwantowych, ponieważ informacja kwantowa przechowywana w takim systemie powinna pozostać bardziej lokalna i nie wyciekać do otoczenia – jest to proces zwany „dekoherencją”, który jest plagą wielu obecnych platform obliczeń kwantowych.”
Obserwacje i potencjalne zastosowania
W eksperymencie naukowcy zaobserwowali zaskakująco ostre przejście fazowe ze szkła Bose do stanu nadciekłego, podobne do topnienia lodu wraz ze wzrostem temperatury.
„Nadciecz to płyn, który przepływa bez żadnego oporu” – powiedział dr Bo Song, były pracownik naukowy podoktorski w Cambridge, a obecnie adiunkt na Uniwersytecie w Pekinie, który wniósł wkład w badania.
„Wyobraźcie sobie cząstki pływające w cieczy; nie byłoby tarcia, a płyn nie powodowałby ich spowolnienia. Ta właściwość, zwana nadciekłością, jest ściśle związana z nadprzewodnictwem. Wraz z inną fazą kwantową izolator Motta, nowo zaobserwowane szkło Bosego i nadciekły tworzą stany podstawowe modelu Bosego-Hubbarda, który opisuje fizykę bozonów w oddziałujących i nieuporządkowanych układach.
Okulary Bose i nadciekły to odrębne fazy materii, takie jak lód i woda w stanie ciekłym. Jednakże, podobnie jak kostki lodu w szklance wody, atomy w swoim układzie mogą tworzyć obie fazy w ramach tego samego eksperymentu. Wyniki eksperymentów, potwierdzające najnowsze przewidywania teoretyczne, ujawniają, w jaki sposób powstaje i ewoluuje szkło Bose, dzięki czemu naukowcy mogą teraz zacząć myśleć o jego zastosowaniach.
Ostrożne wnioski
Jednakże, choć istnieją ekscytujące możliwości na przyszłość, Schneider uważa, że powinniśmy zachować ostrożność. „Wciąż nie rozumiemy wielu rzeczy na temat szkła Bose i jego potencjalnego związku z lokalizacją wielu ciał, zarówno jeśli chodzi o ich termodynamikę, jak i właściwości dynamiczne. Powinniśmy najpierw skupić się na odpowiedziach na więcej tych pytań, zanim spróbujemy znaleźć dla nich zastosowania” – podsumował Schneider.
Odniesienie: „Obserwacja dwuwymiarowego szkła Bose w optycznym kwazikrysztale” Jr-Chiun Yu, Shaurya Bhave, Lee Reeve, Bo Song i Ulrich Schneider, 11 września 2024 r., Natura.
DOI: 10.1038/s41586-024-07875-2
