Не слишком быстро и не слишком медленно
Группа колумбийских физиков, возглавляемая профессором Университета Майами, показала, что при квантовом фазовом переходе в системе, состоящей из большого числа частиц света и вещества, наиболее нетривиальные и сложные квантово-сцепленные структуры возникают, если темп перехода средний — не слишком быстрый и не слишком медленный. Препринт их теоретической работы доступен на сайте arxiv.org.
Квантовые фазовые переходы вызывают в последнее время повышенный интерес у учёных в связи с тем, что позволяют получать большие системы квантово-сцепленных частиц, так необходимых для создания работающих квантовых компьютеров. Фазовыми переходами в физике называют переходы вещества из одной термодинамической фазы в другую. Примерами могут служить, например, таяние льда при повышении температуры и его превращение в воду или переход проводника в сверхпроводящее состояние при понижении температуры. Отличием квантовых фазовых переходов является то, что они могут наблюдаться вблизи абсолютного нуля и без изменения температуры — достаточно менять связь между частицами в квантовой системе.
В работе рассматривается система, состоящая из взаимосвязанных между собой частиц света и вещества — фотонов и кубитов. При изменении силы связи между ними в некоторый момент происходит качественное изменение состояния системы, которое и называется квантовым фазовым переходом. Этот переход всегда приводит к возникновению между частицами квантовой сцепленности — не имеющей аналога в классической физике глубокой скрытой связи между квантовыми объектами. Наличие квантовой сцепленности между кубитами является необходимым условием эффективной работы квантовых компьютеров.
Ранее рассматривались два предельных случая квантового фазового перехода в такой системе — или очень медленный, так что в каждый момент времени система была практически неподвижной, или очень быстрый, почти мгновенный, когда наоборот система быстро перебрасывалась в другое состояние и не успевала за это время сильно измениться.
В обоих этих случаях система демонстрировала довольно скудную динамику. А квантовая сцепленность образуется не слишком хорошо. В новой работе учёные исследовали промежуточный режим, когда система меняется не слишком быстро и не слишком медленно — а ровно так, как, оказалось, надо. И обнаружили, что в этом случае система ведёт себя очень сложным образом, проявляя чрезвычайно богатое разнообразие образующихся структур. Замечательно, что в конечном итоге это приводило к возникновению большого количества квантово-сцепленных частиц.
Такое поведение авторы работы сравнивают с готовкой овсянной каши на молоке. Её надо варить не слишком быстро и не слишком медленно, чтобы в итоге получить аппетитные комочки овсянки, а не нечто бесформенное.
Авторы также не исключают, что что-то подобное происходило с нашей Вселенной на самой заре её существования. Через ничтожные доли секунды после рождения она также должна была пройти через квантовый фазовый переход и, возможно, тем фактом, что сейчас мы наблюдаем такую сложную и богатую систему галактик, звёзд и планет, мы обязаны именно тем, что сквозь тот переход Вселенная прошла ровно так, как надо, не быстрее и не медленнее. Это, однако, пока остаётся чистой спекуляцией, пока же теоретические предсказания ждёт проверка экспериментом, благо его осуществление, как утверждают авторы, не представляет большого труда.
Эта статья была изначально опубликована на сайте N+1.
