Гипотеза о существовании квантовой спиновой жидкости – редкого состояния материи, в котором при нулевой температуре дальний магнитный порядок не формируется – была предложена еще в 1973 году. Но только недавно ученым удалось наблюдать квантовую спиновую жидкость в лабораторных условиях
«Жидкая» часть относится к электронам, которые постоянно меняются и колеблются внутри магнитного материала при низких температурах. В отличие от обычных магнитов, в этом случае электроны не стабилизируются и не оседают в структурированной решетке твердого тела при охлаждении. Теперь, когда это состояние было зафиксировано, есть надежда, что открытие ускорит прогресс в разработке мощных квантовых компьютеров.
«Это совершенно особый момент в этой области, — говорит квантовый физик Михаил Лукин* из Гарвардского университета в Массачусетсе. — Вы действительно можете трогать и даже тыкать в это экзотическое состояние, манипулировать им, чтобы понять его свойства… это новое состояние материи, которое люди ранее никогда не могли наблюдать».
Обычные магниты содержат электроны, спин которых ориентирован в одном и том же направлении вверх или вниз, что и создает магнетизм. В квантовых спиновых жидкостях вводится третий электрон, поэтому, в то время как два противоположных спина стабилизируют друг друга, спин третьего электрона нарушает равновесие. Это создает «расстроенный» магнит, где все вращения не могут стабилизироваться в одном направлении.
Чтобы создать свой собственный расстроенный шаблон решетки, команда использовала программируемый квантовый симулятор, построенный в 2017 году. Симулятор использует квантовую компьютерную программу для удержания атомов в произвольных формах с помощью лазеров – таких как квадраты, треугольники или соты – и может применяться для проектирования различных квантовых взаимодействий и процессов. Симулятор использует плотно сфокусированные лазерные лучи для индивидуального расположения атомов, и, расположив атомы рубидия в решетке с треугольным рисунком, исследователи смогли создать расстроенный магнит со свойствами квантовой запутанности — где изменения в одном атоме совпадают со вторым запутанным атомом.
Связи между атомами указывали на то, что действительно была создана квантовая спиновая жидкость.
«Вы можете раздвигать атомы так далеко, как хотите; вы можете изменять частоту лазерного излучения; вы действительно можете изменять параметры природы так, как не могли в материале, где эти вещи изучались ранее, — говорит квантовый физик Субир Сачдев из Гарвардского университета. — Здесь вы можете посмотреть на каждый атом и увидеть, что он делает».
Квантовые компьютеры построены на квантовых битах или кубитах, и есть надежда, что квантовые спиновые жидкости помогут в разработке топологических кубитов, которые лучше защищены от внешних шумов и помех.
«Изучение того, как создавать и использовать такие топологические кубиты, стало бы важным шагом на пути к созданию надежных квантовых компьютеров», — добавляет квантовый физик Джулия Семегини из Гарвардского университета.
Исследование было опубликовано в журнале Science.
Михаил Лукин — американский и российский учёный в области теоретической и экспериментальной физики, выпускник МФТИ, профессор физики Гарвардского университета.
ФОТО — https://news.harvard.edu/gazette/story/2021/12/harvard-led-team-takes-step-in-quest-for-quantum-computing/
07.12.2021
Константин Тимофеев
Нет комментариев