Вперше отримано ще один новий стан матерії — квантову спін-рідину

Новий екзотичний стан матерії, можливість існування якого було обґрунтовано теоретично понад 50 років тому, вперше в історії було отримано у лабораторних умовах. Створений дослідниками з Гарвардського університету, цей матеріал називається квантовою спін-рідиною, а його подальше вивчення та використання дозволить створити низку нових технологій, здатних вплинути на подальший розвиток квантових обчислень і комунікацій. Для того, щоб який-небудь матеріал мав магнітні властивості, потрібно, щоб обертання електронів атомів цього матеріалу було вирівняне в одному напрямку.

Дещо інші типи магнетизму можуть спостерігатися, коли обертання електронів у матеріалі чергується, подібно до клітин шахівниці, проте, такі матеріали все ще мають екзотичні магнітні властивості шляхом упорядкованості спинів електронів. У 1973 році американський фізик Philip Anderson (Philip Anderson) висунув гіпотезу про можливість існування стану матерії, званого квантовою спін-рідиною, яка не підпорядковується описаним вище правилам. Така рідина виникає при охолодженні матерії до такого стану, коли вона ще не перетворюється на тверде тіло та електрони не займають строго задане положення і, як наслідок, не вирівнюють спини в одному напрямку. Натомість спини електронів перебувають у постійному русі, всі заплутуються друг з одним, створюючи дуже складний єдиний квантовий стан.

Для створення квантової спецрідини гарвардські дослідники використовували так званий квантовий симулятор, щось на зразок примітивного квантового комп’ютера, орієнтованого на вирішення лише одного завдання. Основу цього симулятора становлять 219 атомів, які розташовані у вузлах сітки оптичної пастки, створеної за допомогою лазерних променів. Крім цього, за допомогою світла додаткових лазерів можна керувати кожним з атомів, змінюючи напрямок спини його електрона.

Вчені розташували атоми в пастці як решітки, серед якої в кожного з атомів є два найближчих сусіди. Пара електронів може стабілізуватися і вирівняти значення їх спинів, але присутність електрона третього сусіднього атома руйнує баланс, створюючи те, що вчені називають «розбитим магнітом», магнітом, який не може стабілізуватися самостійно. І в результаті всі ці атоми сформували кілька квантової спецрідини, що володіє декількома корисними квантовими властивостями. Перше, атоми рідини перебувають у заплутаному стані, можуть впливати друг на друга навіть великій відстані, що можна використовувати реалізації телепортації квантової інформації.

Другим властивістю і те, що це атоми рідини перебувають у стані суперпозиції, тобто. їх електрони можуть обертатися одразу у двох напрямках. Обидві ці властивості є основними «примхами» квантової механіки, які використовуються сьогодні для створення квантових комп’ютерів. «Зараз ми працюємо над тим, щоб створити на основі отриманої квантової спецрідини перший топологічний квантовий біт, кубит нового типу. Для цього, як мінімум, нам потрібні технології, що дозволяють керувати, записувати та зчитувати інформацію з таких кубитів», — пишуть дослідники. — «Отже, після отримання перших зразків рідини перед нами відкрилося величезне поле для подальших досліджень». Джерело