Необычный квантовый эффект, полностью останавливающий частицу, был воспроизведён учёными. Эксперимент был проведён на гибридном квантовом компьютере. Исследователи из Оксфордского университета, воспроизводя эффект Aharonov — Bohm, который показывает, что частица может испытывать влияние магнитного поля, не проходя через него, наблюдали, как невидимое магнитное воздействие полностью остановило моделируемую частицу. Результаты опубликованы в журнале Nature Physics. В работе кубиты — базовые единицы квантовой информации — были объединены с квантовыми осцилляторами, представляющими колебательное движение, чтобы изучить взаимодействия вещества и поля, моделирование которых на классических компьютерах становится всё более затруднительным.
Этот эффект был предсказан в 1959 году физиками Yakir Aharonov и David Bohm. Заряженная частица, даже проходя полностью за пределами области, содержащей магнитный поток, может испытывать измеримое изменение квантовой фазы. Сама фаза напрямую не наблюдается. Тем не менее разности фаз порождают измеримые эффекты, и это предсказание позже было подтверждено в экспериментах с реальными электронами.
На этот раз в центре внимания оказались калибровочные теории на решётке. Исследователи изучают то же явление в рамках этих теорий, описывающих взаимодействие вещества с полями, связанными с фундаментальными силами. Пространство здесь представлено в виде решётки. Вещество располагается в узлах, а поля — в связях между этими узлами. Математика этих моделей, важных для физики элементарных частиц и физики высоких энергий, по мере усложнения систем становится непосильной даже для мощных классических компьютеров. Квантовое моделирование, в свою очередь, основано на построении другой квантовой системы, подчиняющейся тем же фундаментальным правилам, и прямом наблюдении её поведения.
Проект начался в 2022 году. Ведущим автором исследования стал Dr. Sebastian Saner, а сотрудничество велось с Dr. Oana Bazavan и Dr. Alejandro Bermudez из Instituto de Física Teórica в Мадриде. В эксперименте использовались два компонента. Кубиты, закодированные во внутренних состояниях заряженных атомов, удерживаемых на месте электромагнитными полями, представляли калибровочные поля, а осцилляторы, состоящие из колебаний тех же ионов, — вещество. Два осциллятора представляли вещество в двух точках, а два кубита — поля, соединяющие эти точки, образуя простое кольцо.
Команда закодировала поток в кубитах. Два кубита были приведены в запутанное квантовое состояние, представляющее магнитный поток, проходящий через центр кольца. Первоначальный план был иным. Планировалось добавить поток как фиксированное фоновое условие, однако используемое оборудование не позволяло напрямую применить этот подход. Кодирование потока в кубитах предоставило практичную альтернативу и сделало поток частью эволюционирующей системы. «Захватывающим для нас шагом стало кодирование магнитного потока в калибровочное поле, которое само по себе динамично», — говорит Dr. Saner.
Моделирование испытало туннелирование. В отсутствие магнитного потока частица могла свободно туннелировать по кольцу. Когда поток был добавлен, относительные фазы двух возможных путей изменились, пути уничтожили друг друга посредством деструктивной интерференции, и туннелирование было полностью подавлено. Частица застыла в исходном состоянии. В результате эффект Aharonov-Bohm был продемонстрирован в решёточной калибровочной теории, включающей динамическое поле.
Результаты были опубликованы совместно. Команда Университета Мэриленда под руководством профессора Norbert Linke также провела связанное исследование, моделирующее потенциал Yukawa. Две группы разработали свои методы независимо. Однако свои статьи они представили в Nature Physics скоординированно.
Почему это важно
Этот эксперимент на конкретном примере показывает, что квантовые компьютеры можно применять к физическим задачам, с которыми классические машины справляются с трудом. Поскольку решёточные калибровочные теории, являющиеся базовыми моделями физики элементарных частиц и физики высоких энергий, по мере усложнения системы превосходят возможности даже самых мощных классических компьютеров, гибридный симулятор предлагает альтернативный путь преодоления этого узкого места. Тот факт, что конструкция, объединяющая кубиты и осцилляторы в одном аппаратном обеспечении, родилась к тому же из незапланированного аппаратного ограничения, указывает на то, что при ограниченных ресурсах могут быть представлены более сложные системы. Одновременная публикация в одном журнале работ, разработанных двумя независимыми командами разными методами, подтверждает, что этот результат не является спецификой одной лаборатории. Открытым остаётся вопрос, удастся ли перенести этот подход на более масштабные и реалистичные физические системы.