|
Секреты фазовых переходов в квантовом оборудовании
|
|
|
|
Фазовые переходы, подобные превращению воды в лед, являются привычной частью нашего мира. Но в квантовых системах они могут вести себя еще более драматично, поскольку квантовые свойства, такие как неопределенность Гейзенберга, играют центральную роль. Кроме того, побочные эффекты могут привести к потере или рассеянию энергии в окружающей среде. Когда они происходят, эти "диссипативные фазовые переходы" (ДФП) переводят квантовые системы в новые состояния.
|
|
|
|
Существуют различные типы или "порядки" DPT. DPT первого порядка подобны переключению переключателя, вызывающему резкие переходы между состояниями. DPT второго порядка являются более плавными, но все же трансформирующими, изменяя одну из глобальных особенностей системы, известную как симметрия, тонким, но глубоким образом.
|
|
|
|
DPT являются ключом к пониманию того, как квантовые системы ведут себя в неравновесных условиях, когда аргументы, основанные на термодинамике, часто не дают ответов. Помимо простого любопытства, это имеет практическое значение для создания более надежных квантовых компьютеров и датчиков. Например, DPT второго порядка могут улучшить хранение квантовой информации, в то время как DPT первого порядка раскрывают важные механизмы стабильности и контроля системы.
|
|
|
|
Теоретически было предсказано, что DPT проявляют специфические свойства, такие как замедление и бистабильность, которые проявляются в определенных степенных масштабах. До сих пор их наблюдение было серьезным научным препятствием, особенно второго порядка.
|
|
|
|
|
|
|
Но теперь команда исследователей сделала именно это. Под руководством профессора Паскуале Скарлино (Pasquale Scarlino) из EPFL они разработали сверхпроводящий резонатор Керра, устройство с управляемыми квантовыми свойствами, и спроектировали его таким образом, чтобы испытать двухфотонный привод, который посылает пары фотонов в систему для тщательного контроля ее квантового состояния и изучения того, как она переходит из одной фазы в другую. Работа опубликована в журнале Nature Communications.
|
|
|
|
Систематически изменяя такие параметры, как отстройка и амплитуда возбуждения, команда смогла изучить переходы системы из одного квантового состояния в другое. Этот подход позволил им наблюдать DPT как первого, так и второго порядка.
|
|
|
|
Для обеспечения точности эксперименты проводились при температурах, близких к абсолютному нулю, что практически сводило фоновый шум к нулю. Резонатор Керра сыграл ключевую роль, поскольку он может усиливать квантовые эффекты, которые часто слишком малозаметны для наблюдения. Поскольку он может реагировать на двухфотонные сигналы с исключительной чувствительностью, исследователи смогли использовать его для изучения фазовых переходов с беспрецедентной точностью - чего просто не могут достичь традиционные установки.
|
|
|
|
Установка позволила команде ученых отслеживать поведение фотонов, испускаемых резонатором, с помощью сверхчувствительных детекторов. Используя передовые математические методы, такие как связь со спектральными свойствами супероператора Лиувилля — инструмента, моделирующего сложные квантовые процессы, — ученые смогли точно отслеживать и анализировать фазовые переходы в системе.
|
|
|
|
Для DPT второго порядка команда наблюдала явление, называемое "сжатием", при котором квантовые флуктуации снижаются до уровней, меньших, чем естественный фоновый шум пустого пространства, сигнализируя о том, что система достигла высокочувствительного и преобразующего состояния. Между тем, DPT первого порядка демонстрировал отчетливые циклы гистерезиса, при которых система могла существовать в двух состояниях в зависимости от того, как были настроены параметры.
|
|
|
|
Во-вторых, они обнаружили явные признаки метастабильных состояний во время DPT первого порядка, когда система временно оставалась в одном стабильном состоянии, прежде чем резко перейти в другое. Такое поведение, приводящее к зависимости состояния системы от ее предыдущей истории, известной как гистерезис, демонстрирует, как DPT первого порядка включают конкурирующие фазы.
|
|
|
|
Наконец, они наблюдали "критическое замедление" в обоих типах переходов, воспроизводя ожидаемое масштабирование, полученное в результате теоретического рассмотрения. Это в конечном итоге демонстрирует достоверность теоретических предсказаний, основанных на теории Лиувилля, используемой авторами. Вблизи критических точек реакция системы значительно замедлялась, что подчеркивает универсальную особенность фазовых переходов, которую можно было бы использовать для более точных квантовых измерений.
|
|
|
|
Понимание DPT открывает новые возможности для разработки квантовых систем, которые являются одновременно стабильными и отзывчивыми. Это может произвести революцию в квантовых информационных технологиях, таких как исправление ошибок в квантовых вычислениях или разработка сверхчувствительных квантовых датчиков.
|
|
|
|
В более широком смысле это исследование демонстрирует мощь междисциплинарного сотрудничества, сочетающего экспериментальную физику, передовые теоретические модели и передовые инженерные разработки для изучения границ науки.
|
|
|
|
"На самом деле, очень интересным аспектом этой работы является то, что она также демонстрирует, как тесное сотрудничество между теорией и экспериментом может привести к результатам, намного превосходящим те, которых любая группа могла бы достичь независимо", - говорит Гийом Болье, первый автор статьи.
|
|
|
|
Источник
|
