Учёные из Мюнхенского технического университета, Принстонского университета и Google Quantum AI совершили прорыв в квантовой физике, создав и наблюдая экзотическую фазу вещества, существующую только в неравновесных условиях

Учёные из Мюнхенского технического университета, Принстонского университета и Google Quantum AI совершили прорыв в квантовой физике, создав и наблюдая экзотическую фазу вещества, существующую только в неравновесных условиях. Используя сверхпроводящий квантовый процессор на 58 кубитах, международная команда впервые успешно реализовала топологически упорядоченное состояние Флоке, открыв новые направления для понимания квантового вещества за пределами традиционной термодинамики.

Исследование, опубликованное в журнале Nature 10 сентября, демонстрирует, что квантовые компьютеры могут служить могущественными лабораториями для изучения явлений, которые классические компьютеры не способны моделировать из-за высокой запутанности. Команда, возглавляемая первыми авторами Мелиссой Уилл из TUM и Тайлером Кокраном из Принстона, наблюдала характерную динамику хиральных краевых мод и измерила экзотические "трансмутирующиеся" частицы, теоретически предсказанные, но ранее никогда не наблюдавшиеся.

Прорыв в исследовании неравновесной квантовой материи

Традиционные фазы вещества, такие как твердые тела и жидкости, определяются при стабильных, равновесных условиях. Однако топологически упорядоченное состояние Флоке существует только тогда, когда квантовая система периодически выводится из равновесия, создавая формы порядка, которые не могут существовать при каких-либо равновесных условиях. Так называемые системы Флоке ритмически приводятся в движение во времени, что приводит к совершенно новым квантовым проявлениям, принципиально выходящим за рамки обычных фаз вещества.

Исследователи разработали новый интерферометрический алгоритм, который позволил им напрямую визуализировать характерные направленные движения на краю их квантовой системы и исследовать её фундаментальные топологические свойства. Это достижение позволило им наблюдать динамическую трансмутацию экзотических частиц, называемых анионами, которые поочередно переходят между двумя различными типами с периодом, вдвое превышающим период действующей силы.

Квантовые компьютеры как физические лаборатории

«Фазы с высокой степенью квантовой запутанности вне равновесия чрезвычайно трудно моделировать на классических компьютерах», — говорит Мелисса Вилл, первый автор исследования и аспирант кафедры физики ТУ Мюнхена. Работа команды показывает, что квантовые процессоры — это не просто вычислительные устройства, а мощные экспериментальные платформы для открытия и исследования совершенно новых состояний материи.

Михаэль Кнап, профессор коллективной квантовой динамики в ТУ Мюнхена, подчеркнул фундаментальную важность работы: «Наше исследование показывает, как квантовые компьютеры могут помочь нам изучать фундаментальные правила, управляющие нашей Вселенной. Проводя моделирование этих взаимодействий в лаборатории, мы можем тестировать теории новыми способами».

Эксперимент представляет собой значительный прорыв в возможностях квантового моделирования: команде удалось реализовать квантовые схемы исключительной глубины и сложности. Их система из 58 кубитов позволила исследовать крупномасштабные топологические инварианты и возникающие анионные возбуждения на масштабах, которые ранее были недоступны ни для классического моделирования, ни для экспериментального наблюдения.

Это достижение открывает путь к новой эре квантового моделирования, где квантовые компьютеры становятся лабораториями для изучения огромного и в значительной степени неизведанного ландшафта неравновесной квантовой материи. Полученные результаты могут иметь далеко идущие последствия — от продвижения фундаментального понимания физики до создания квантовых технологий следующего поколения.