Tutkijat havaitsivat Flocken faasin topologisella järjestyksellä – kvanttitilan, jonka olemassaoloa pidettiin vain teoreettisena mahdollisuutena
Fyysikkoryhmä Münchenin teknillisestä yliopistosta (TUM), Princetonin yliopistosta ja Google Quantum AI:sta käytti 58 suprajohtavan kubitin kvanttiprosessoria luodakseen ja havainnoidakseen Flocken tilan topologisella järjestyksellä. Kyseessä on kvanttivaihe, jonka olemassaolo oli ennustettu teoriassa, mutta jota ei ollut aiemmin havaittu kokeellisesti. Tutkijat pystyivät suoraan visualisoimaan hiukkasten suunnatun liikkeen tämän tilan rajalla ja kehittivät uuden interferometrisen algoritmin sen topologisten ominaisuuksien tutkimiseksi. Tämä antoi heille mahdollisuuden havaita eksoottisten hiukkasten dynaamisen ”transmutaatio” -ilmiön, joka on ennustettu teoreettisesti tällaisille tiloille.
Toisin kuin tavalliset aineen faasit, niin sanotut epätasapainoiset kvanttifaasit määritellään niiden dynaamisilla ja ajassa muuttuvilla ominaisuuksilla – käyttäytymisellä, jota ei voida kuvata perinteisellä tasapainoisten järjestelmien termodynamiikalla. Yksi rikkaimmista epätasapainotilojen luokista esiintyy Flocken järjestelmissä – kvanttijärjestelmissä, joihin ulkoinen kenttä vaikuttaa jaksottaisesti. Tämä rytminen vaikutus voi johtaa täysin uusiin järjestyksen muotoihin, jotka eivät voi esiintyä tasapainotiloissa, paljastaen ilmiöitä, joita ei periaatteessa voida tutkia tavallisissa aineen faaseissa.
”Voimakkaasti sekavia epätasapainotiloja on erittäin vaikea mallintaa klassisilla tietokoneilla”, sanoo tutkimuksen ensimmäinen kirjoittaja Melissa Will, TUM:n fysiikan laitoksen tohtorikoulutettava. ”Tuloksemme osoittavat, että kvanttiprosessorit eivät ole pelkästään laskentalaiteita, vaan tehokkaita kokeellisia alustoja täysin uusien aineen tilojen löytämiseksi ja tutkimiseksi.”
Tutkimuksen tekijät havaitsivat suoraan tyypillisiä suunnattuja liikkeitä luodun tilan rajalla ja käyttivät uutta interferometristä algoritmia sen topologisten ominaisuuksien tutkimiseen. Topologiset ominaisuudet ovat ominaisuuksia, jotka säilyvät jopa järjestelmän muodonmuutosten yhteydessä. Interferometria on aaltojen interferenssiin perustuva mittausmenetelmä.
Työ avaa uuden aikakauden kvanttimallinnuksessa, jossa kvanttitietokoneet muuttuvat laboratorioiksi, joissa tutkitaan laajaa ja suurelta osin tutkimatonta epätasapainoisen kvanttimateriaalin maisemaa. Saadut tiedot voivat olla kauaskantoisia, perustavanlaatuisen fysiikan ymmärtämisestä uuden sukupolven kvanttiteknologian kehittämiseen.
Saadut tulokset voivat johtaa uusien materiaalien ja teknologioiden kehittämiseen kvanttimekaniikan periaatteiden pohjalta.
