В повседневной жизни, подчиняясь законам классической физики, господствует концепция равновесия. Если капнуть каплю чернил в воду, они в конечном итоге равномерно смешаются. Если поставить стакан с ледяной водой на кухонный стол, она в конце концов растает и достигнет комнатной температуры. Эта концепция, основанная на переносе энергии, известна как термализация, и её легко понять, потому что мы видим это каждый день. Но на самых малых масштабах Вселенной всё происходит не всегда.

В квантовой области — на атомном и субатомном уровнях — может наблюдаться явление, называемое локализацией, при котором равновесное распространение не происходит, даже если ничто явно этому не препятствует. Исследователи из Университета Дьюка впервые наблюдали это интригующее явление с помощью квантового симулятора. Это исследование, также известное как статистическая локализация, может помочь в изучении необычных свойств материалов или квантовой памяти.

Результаты опубликованы в журнале Nature Physics.

«При статистической локализации почти все состояния замораживаются», — сказал Хуанцянь Ло, доцент кафедры электротехники, вычислительной техники и физики в Университете Дьюка. «Это отличается от обычной формы локализации, где свойства системы, остающиеся неизменными с течением времени, привязаны к определенному месту. Здесь мы наблюдаем локализацию, даже несмотря на то, что сохраняющиеся свойства довольно сильно разбросаны. Ее значение для надежного хранения информации в квантовой системе весьма интересно».

Чтобы понять концепцию локализации, которую наблюдали Ло и ее коллеги, представьте, что ваш местный бариста создает классический узор в виде «тюльпанов» на пенке вашего латте. Покрутите чашку, и узор постепенно исчезнет, ​​поскольку пена смешается с кофе.

Теперь представьте себе аналогичную ситуацию, когда изображение произведения искусства остается первозданным, несмотря на перемешивание или постукивание по чашке кофе. В этом и заключается главная неожиданность статистической локализации.

«В этом воображаемом примере мы ожидали бы, что элементы смешаются — достигнут равновесия — и все же мы почему-то наблюдаем локализацию», — сказал Ло. «Это очень, очень странно, но это может стать мощной особенностью квантовой механики, которую можно использовать в квантовых технологиях».

В 2020 году было выдвинуто предположение о существовании подобной статистической локализации для некоторых квантовых систем. В этих системах подмножества квантовых состояний связаны друг с другом и в остальном остаются разрозненными по отношению ко всем другим квантовым состояниям. Однако экспериментальная реализация таких фрагментированных систем требует высокого уровня квантовой инженерии. В этом случае Ло и ее команда обратились к платформе квантовых вычислений на основе нейтральных атомов рубидия.

Используя сфокусированные лазеры , исследователи точно контролировали положение каждого атома в одномерной цепочке. Затем они возбуждали электроны атомов другим лазером, так что поведение атомов переплеталось. Основываясь на точном положении атомов, их взаимодействиях и сконструированной квантовой эволюции при высвобождении из исходного состояния, исследователи смогли впервые продемонстрировать явление локализации.

Результаты показали, что большинство конфигураций квантовых битов остаются фактически замороженными. Интересно, что исследователи добились такой заморозки в квантовом симуляторе решеточной калибровочной теории — базовой модели для понимания обширных систем, начиная от ядер в астрофизических и коллайдерных средах и заканчивая новыми квантовыми материалами.

«Калибровочные теории предоставляют язык, который мы используем для описания трех из четырех фундаментальных сил природы», — сказала Натали Клко, доцент кафедры физики в Университете Дьюка. «К сожалению, использование этого языка для вычисления сложных предсказаний, заложенных в этих теориях, чрезвычайно затратно, если вообще возможно, на классических компьютерах. Учитывая фрагментированные пространства состояний, являющиеся ключевой особенностью калибровочных теорий, эти эксперименты представляют собой обнадеживающий шаг на пути к долгожданному применению квантовых вычислений в субатомной физике».

По мере развития квантовых технологий от небольших симуляторов, использующих лишь несколько кубитов, до более крупных квантовых компьютеров, работающих с тысячами кубитов, способность сохранять или хранить квантовую информацию станет чрезвычайно важной. Использование локализованных свойств квантовой системы, устойчивых к непредсказуемым условиям окружающей среды, может стать одним из путей к достижению этой возможности.