Ученые впервые пронаблюдали квантовый фазовый переход

Фазовые переходы, такие как переход воды из жидкого состояния в состояние льда, помогают выяснить сложное поведение систем, состоящих из множества частиц, и находят свое применение во всех областях физики. В последнее время теоретики предсказали, что полость, содержащая только один атом, должна перейти от непрозрачного состояния до прозрачного, в тот момент, когда поток входных фотонов достигает некоторого критического числа. И точно так же, как вода и лед могут сосуществовать при температуре точки плавления, полости было предсказано быть непрозрачной и прозрачной, близкой к критической точке, где переключение между состояниями (прозрачная или нет) осуществляется стохастически. Это сосуществование является отличительным признаком для так называемого фазового перехода первого рода, который наблюдался впервые в диссипативной квантовой системе.

В настоящем исследовании физики экспериментально обнаружили фазовый переход первого рода в квантовой системе, который и был предсказан теоретически в последние несколько лет. Фазовые переходы являются тем, что мы замечаем ежедневно, например, когда лед тает в воде, или пар испаряется из кипящего чайника. В то время как эти переходы легко наблюдать непосредственно, фазовые переходы также происходят на крошечном, квантовом масштабе, где они играют важную роль в физике. Но до сих пор никто никогда не был свидетелем такого фазового перехода, полученного экспериментально.

Команда исследователей из Института науки и технологий, Австрия, наблюдала квантовый переход системы от непрозрачного до прозрачного состояния и обратно. Фазовый переход называется распадом фотонной блокировки, которая была только предсказана в первый раз много лет назад.

"Мы наблюдали это случайное переключение между непрозрачным и прозрачным состоянием впервые согласно теоретическим предсказаниям", сказал ведущий исследователь Йоханнес Финк.

Теперь, когда исследователи наконец увидели, как происходит этот тип квантового фазового перехода, то ученые, наконец, смогут изучить их более детально. Исследователи надеются получить более эффективный контроль над квантовыми системами в будущем.

Так что же все-таки представляет из себя распад фотонной блокировки (прим. photon-blockade breakdown)?

Фазовые переходы контролируются изменением одного параметра - в случае таяния льда, этим параметром является температура. После того, как система преодолевать порог выше 0 градусов по Цельсию (32 градуса по Фаренгейту), лед начинает таять.

Квантовые системы отличаются от простой материи, наблюдаемой нами непосредственно на макромасштабах. В этом случае исследователи использовали микрочип с запутанными кубитами на нем и перекачивали через него микроволны. На начальном этапе квантового фазового перехода (когда квантовая система по-прежнему "лед"), одна из частиц света, как часть этих микроволн, - известная как фотон - заполняет полость в системе таким образом, что никакие другие фотоны не могут пройти через нее, что и делает систему непрозрачной.

Но с определенного момента входная мощность увеличивается, и все больший и больший поток из этих фотонов проникает за “заблокированную” область, и поток фотонов в конечном счете увеличивается до критического уровня, и блокировка распадается, изменяя тем самым квантовую систему от непрозрачного состояния до прозрачного. Этот момент изменения и является фазовым переходом, то есть когда квантовая система «тает» в воде (по аналогии со льдинкой).

Этот тип фазового перехода известен как фазовый переход первого рода, т.к. он характеризуется сосуществованием двух стабильных фаз по обе стороны от перехода. Таяние льда в воде также является фазовым переходом первого рода, потому что две фазы могут существовать одновременно вокруг точки нулевого градуса.

Улучшенная память

Для изучаемой квантовой системы команда заметила, что вокруг фазового перехода квантовая система как бы переворачивается назад и вперед между непрозрачным и прозрачным состояниями вокруг точки перехода, показывая тем самым, что обе фазы могут сосуществовать одновременно. Ранее ни разу не был исследован фазовый переход первого рода в квантовой системе, так что это большое открытие, означающее, что ученые, наконец, могут изучить квантово-механическую основу этого эффекта.

Затруднения были вызваны необходимостью поддерживать очень специфические условия во время экспериментов для того, чтобы достичь квантовых фазовых переходов. Для достижения этой цели австрийская команда создала микрочип, который имел сверхпроводящий микроволновый резонатор в качестве полости с несколькими сверхпроводящими кубитами для представления их в виде атомов. Затем они охладили чип до температуры, приближающейся к абсолютному нулю (0,01 по шкале Кельвина), так что тепловые флуктуации не играли никакой роли в их результатах. Единственное, что они изменяли во время эксперимента - входную мощность, подводимую к системе.

Мало того, что это доказательство правильности концепции физиков поможет узнать больше о квантовых фазовых переходах в целом, но и распад фотонной блокировки мог бы сыграть важную роль в создании запоминающих устройствах будущего. Полученная система может также помочь в создании процессоров для будущего квантового моделирования.

"Наш эксперимент длился ровно 1,6 миллисекунды для соответствующего значения входной мощности. Соответствующее численное моделирование заняло несколько дней на кластере суперкомпьютера ", сообщил Финк.

"Это дает представление о том, почему эти системы могут быть полезны для квантового моделирования."

Пояснение к изображениям:

На первом изображении (43_1) график распределения вероятностей, показывающий эквивалентные вероятности для областей полости: прозрачной и непрозрачной.

На втором изображении (43_2, Figure 1) (а) показано схематичное изображение копланарного резонатора, представляющего собой волновод (синий) в сочетании с тремя встроенными в волновод искусственными атомами (зеленый – те самые сверхпроводящие кубиты). Внешнее напряжение (красный) подается через входной конденсатор, тем самым осуществляется когерентная передача сигнала, которая определяется посредством выходного конденсатора. (b) схема уровней одного искусственного атома с указанием параметров гамильтониана в уравнении (1, см. приложение 43).

Оригинал статьи прикреплен к записи.

Источник: journals.aps.org

Комментарии: