Гібридний квантовий комп'ютер відтворив фундаментальний квантовий ефект у новому середовищі

Фізики з Оксфордського університету використали гібридний квантовий комп'ютер для симуляції ефекту Ааронова - Бома. Це класичне квантове явище полягає в тому, що заряджена частинка відчуває вплив магнітного поля та змінює свою фазу, навіть якщо вона рухається лише навколо області з полем і ніколи не проходить безпосередньо крізь нього.

Результати дослідження, опубліковані в журналі Nature Physics, демонструють можливість квантового симулювання складних взаємодій між матерією та калібрувальними полями, які важко або неможливо вирахувати на класичних суперкомп'ютерах.

У класичній фізиці колообіг частинки визначається локальними електричними й магнітними полями. Проте у 1959 році фізики Якір Ааронов та Девід Бом передбачили, що у квантовому світі частинка, яка огинає область із магнітним потоком, все одно зберігає вимірювану фазову мітку цього поля.

Зараз науковці прагнуть відтворити цей ефект у решітчастих калібрувальних теоріях (Lattice Gauge Theories) - математичних моделях, які описують взаємодію матерії та полів у фізиці елементарних частинок.

Дослідники розробили гібридну квантову систему, де два типи компонентів виконували різні фізичні ролі. Внутрішні стани захоплених іонів виконували роль полів. А коливання тих самих іонів імітували частинки матерії.

Завдяки цьому команда створила базовий елемент теорії - замкнену петлю з двох осциляторів (матерія у двох точках), з'єднаних двома кубітами (поля між ними). Вчені заплутали кубіти, створивши динамічний магнітний потік безпосередньо в полі, а не у вигляді статичного фону.

Під час спостереження за тунелюванням частинки матерії по петлі дослідники виявили що без магнітного потоку частинка вільна і безперешкодно тунелює навколо петлі. А за наявності потоку двома шляхами навколо петлі виникає деструктивна інтерференція. Вона повністю пригнічує тунелювання, залишаючи систему «замороженою» у початковому стані.

Це стало першим експериментальним підтвердженням ефекту Ааронова - Бома в динамічному середовищі в межах решітчастої калібрувальної теорії.

«Для нас найцікавішим кроком стало кодування магнітного потоку в калібрувальне поле, яке саме по собі було динамічним. Замість того щоб матерія еволюціонувала у фіксованому фоні, матерія та поле стали частиною єдиної квантової динаміки», - зазначив д-р Себастьян Санер (Sebastian Saner), провідний автор дослідження, Оксфордський університет.

Одночасно з Оксфордом група з Мерилендського університету під керівництвом професора Норберта Лінке (Norbert Linke) використала схожу гібридну квантову систему для симуляції потенціалу Юкави - взаємодії, важливої для ядерної фізики. Обидві роботи були скоординовані та вийшли в одному випуску Nature Physics, підтверджуючи потенціал гібридних квантових архітектур для моделювання фундаментальних сил Всесвіту.

Як безпечно перейти до системного та керованого використання ChatGPT Business