В квантовый симулятор учёные загнали сотни ионов

"Диск" из ионов бериллия диаметром до одного миллиметра.

Иллюстрация NIST.

Более 200 ионов бериллия "запутали" учёные в рекордном эксперименте, проведённом в стенах Национального института стандартов и технологий США (NIST).

Ионы в данном случае действуют как квантовые биты (кубиты) информации и могут быть использованы для моделирования таких сложных физических явлений, как магнетизм или сверхпроводимость. Их, напомним, крайне сложно смоделировать с помощью обычных компьютеров. Также технология "запутывания" ионов может оказаться полезной для создания лучших атомных часов, уверены учёные.

Изучение сложных систем, таких как длинная молекула из множества атомов или сверхпроводящий материал, предполагает использование компьютера для решения уравнения Шрёдингера для большого числа взаимодействующих атомов и электронов. Поиск решения может быть очень сложным, особенно в случае магнетизма или высокотемпературных сверхпроводников.

Квантовый симулятор решает эту проблему, создавая модель интересующей системы и используя компоненты, которые сами подчиняются законам квантовой физики. Сильновзаимодействующие электроны в твёрдом теле, например, могут быть представлены в виде атомов, удерживаемых в оптической (удержание светом) или магнитной (удержание полем) ловушке.

Взаимодействие между атомами может быть скорректировано при помощи магнитного поля или регулировки параметров лазерного луча. В ходе систематических исследований это позволяет понять, как взаимодействие влияет на общее поведение всей системы. Проще говоря, атомы в ловушке позволяют моделировать "внутренности" твёрдого тела и процессы, которые происходят с составляющими (например, электронами, которые в реальном теле нельзя подвинуть на полмикрометра в сторону и посмотреть, что же в этом случае будет с тем самым телом).

Джастин Боне (Justin Bohnet) и его коллеги из NIST для создания своего квантового симулятора загнали в ловушку Пеннинга 219 ионов бериллия-9, которая удерживает заряженные частицы с помощью электрических и магнитных полей. Ионы формируют плоский диск толщиной в одну частицу и около одного миллиметра в диаметре.

Электрическое отталкивание между положительно заряженными ионами приводит их к самоорганизации такой системы в треугольную решётку.

Напомним, что каждый ион имеет спин, который может быть направлен вверх или вниз вдоль оси Z ловушки. Исследователи светили лазерным светом на ионы, что генерировало взаимодействие между соседними спинами (оно зависело от их относительной ориентации вверх или вниз).

Такое "изинговое" взаимодействие также обнаруживается в некоторых магнитных материалах, поэтому диск ионов в ловушке оказывается полезным для квантового моделирования магнетизма.

Эксперименты начались с нулевым "изинговым" взаимодействием, когда ионы действовали независимо друг от друга. Затем взаимодействие "включалось" учёными, что заставляло ионы образовывать запутанное состояние, которое включало большинство или все из захваченных в ловушку ионов. Поясним, что запутывание является чисто квантово-механическим свойством, что позволяет квантовым объектам, таким как ионы, иметь гораздо более "тесные отношения", чем прогнозируется классической физикой.

При квантовой запутанности два или большее число объектов оказываются взаимосвязанными, и это состояние сохраняется, даже если эти объекты разнесены в пространстве за пределы любых известных взаимодействий, что находится в логическом противоречии с принципом локальности.

Получив квантовую запутанность ионов бериллия, учёные затем "обстреливали" ловушку микроволновыми импульсами, которые переворачивают спины на 90 градусов, так что они все начинали указывать в направлении оси Х в плоскости диска.

Спины затем предоставляются самим себе примерно на одну миллисекунду. В течение этого времени взаимодействие Изинга приводит к тому, что спины начинают хаотично изменяться, то есть меняется их направление (происходит так называемый процесс деполяризации).

Наконец, возникающая степень деполяризации измеряется с помощью лазерного луча, падающего на ловушку. Направленные вверх спины ионов излучают флуоресцентный свет, а направленные вниз спины ионов не излучают никакого света. Компоненты спина в плоскости диска (Х-У) могут также быть измерены с помощью микроволновых импульсов (чтобы повернуть их спины вдоль оси Z).

Команда учёных смогла продемонстрировать, что деполяризация происходит в квантово-когерентной манере и является результатом взаимодействия между спинами, а не шума. Это важно, так как свидетельствует о квантовой запутанности.

Боне описывает результаты исследования, как "ясное и бесспорное доказательство того, что ионы запутались" и "симулятор работает корректно". По его мнению, эта способность переносить квантовый принцип неопределённости может оказаться весьма полезной в разработке атомных часов.

Результаты исследования опубликованы в научном издании Science.

Добавим, что "Вести.Наука" ранее рассказывали, что порой для решения квантовых проблем учёные обращаются за помощью к самым обычным людям, ничего не понимающим в этой непростой теме.