Главная Новости Ученые измерили квантовый геометрический тензор в неабелевых системах

Сверхпроводящий квантовый чип послужит платформой для квантового моделирования

Исследователи из Нанкинского университета в Китае использовали сверхпроводящий квантовый чип для моделирования системы частиц, которые не являются ни фермионами, ни бозонами, пишет Альтернативная наука.

В рамках этого моделирования они измерили параметр, известный как квантовый геометрический тензор, предоставляющий локальную информацию о топологических свойствах системы.

Работа знаменует собой первый случай измерения в так называемой неабелевой системе - результат, который будет полезен для изучения физики сложных систем, наподобие топологических материалов.

Согласно квантовой механике и квантовой теории поля, все элементарные частицы делятся на одну из двух групп: фермионы и бозоны. Фермионы, то есть электроны, подчиняются принципу исключения Паули: никакие два фермиона никогда не могут занимать одно и то же квантовое состояние.

Склонность убегать друг от друга лежит в основе широкого спектра явлений, включая электронную структуру атомов, стабильность нейтронных звезд и разницу между металлами (которые проводят электрический ток) и изоляторами (которые его не проводят).

Бозоны, наподобие фотонов, объединяться в группы, что приводит к сверхтекучести и сверхпроводимости.

Нанкинский университет

Некоторые материалы, однако, содержат другие, более экзотические типы элементарных частиц.

Неабелевы частицы не являются ни бозонами, ни фермионами. Они состоят из комплексных частиц, - сильно взаимодействующие электроны, - что приводит к появлению уникальных характеристик материалов. Например, вырождение, то есть неабелевы частицы, имея одну и ту же энергию, могут находиться одновременно в нескольких квантовых состояниях.

В свою очередь, многие квантовые состояния могут занимать самый низкий энергетический уровень, образуя вырожденное основное состояние. Такие состояния устойчивы к возмущениям в окружающей среде, поскольку отделены энергетическим зазором от возбужденных, более высокоэнергетических состояний.

Другое ключевое свойство неабелевых частиц заключается в том, что замена двух из них сдвигает систему между различными основными состояниями.

"Если серия обменов осуществляется в определенном порядке, конечное состояние системы будет зависеть от этого порядка. Такая манипуляция не зависит от взаимодействия между частицами или окружающей среды", - поясняет Ян Ю, возглавлявший исследование.

"Все это делает такие системы идеальными кандидатами для топологических квантовых вычислений. Проблема, однако, заключается в том, что трудно реализовать и охарактеризовать неабелеву систему в реальном эксперименте".

В неабелевых системах квантовый геометрический тензор имеет более сложную математическую структуру, чем в системах из бозонов и фермионов. Соответственно, он воплощает больше физических явлений.

Хотя в последние годы исследователи измеряли квантовый геометрический тензор абелевых систем (включая сверхпроводящие квантовые цепи и платформы с азотными вакансиями-центрами), ранее они не оперировали неабелевыми системами.

В новой работе Ю и его коллеги изучали систему, состоящую из четырех настраиваемых сверхпроводящих квантовых битов (кубитов), собранных в кольцевую структуру и соединенных друг с другом.

"Быстро и периодически модулируя частоту кубитов, мы можем свободно определять величину и фазу силы связи между ближайшими соседними кубитами и, таким образом, создать неабелеву систему, геометрические свойства которой возможно исследовать", - добавляет Ю.

"А правильно настроив ее параметры, мы создаем неабелеву систему".

«Мы также можем извлечь весь квантовый геометрический тензор из паттернов колебаний между квантовыми состояниями системы", - рассказывает он Physics World.

Исследователи говорят, что данная работа демонстрирует, что сверхпроводящий квантовый чип является отличной платформой для квантового моделирования.

Теперь ученые надеются смоделировать более сложные квантовые системы и исследовать новую физику с помощью большего количества кубитов.