Μια ανακάλυψη που μέχρι πρόσφατα έμοιαζε αδύνατη έγινε πραγματικότητα χάρη στη συνεργασία της Google Quantum AI με το Technical University of Munich και το Princeton University. Οι ερευνητές κατάφεραν να χρησιμοποιήσουν έναν υπερυπολογιστή 58 qubits για να δημιουργήσουν και να παρατηρήσουν μια εντελώς νέα κβαντική φάση ύλης: την αποκαλούμενη τοπολογικά ταξινομημένη κατάσταση Floquet. Πρόκειται για μια κατάσταση που μέχρι σήμερα είχε μείνει μόνο στη σφαίρα της θεωρίας.
Σε αντίθεση με τις γνωστές φάσεις ύλης –στερεά, υγρά, αέρια και πλάσμα– οι μη ισορροπημένες κβαντικές φάσεις (non-equilibrium quantum phases) χαρακτηρίζονται από τη δυναμική τους φύση και την εξέλιξή τους στον χρόνο. Δεν μπορούν να εξηγηθούν με τις παραδοσιακές αρχές της θερμοδυναμικής, καθώς βασίζονται σε συνεχείς μεταβολές.
Μια ιδιαίτερα γόνιμη κατηγορία τέτοιων καταστάσεων εμφανίζεται στα συστήματα Floquet, δηλαδή σε κβαντικά συστήματα που διεγείρονται περιοδικά μέσα στον χρόνο. Αυτή η ρυθμική ώθηση δημιουργεί νέες μορφές τάξης, οι οποίες είναι αδύνατον να υπάρξουν υπό συνθήκες ισορροπίας. Έτσι ανοίγει ένα παράθυρο σε φαινόμενα που ξεπερνούν τα όρια των συμβατικών φάσεων ύλης.
Η ομάδα των ερευνητών αξιοποίησε έναν υπεραγώγιμο επεξεργαστή 58 qubits για να επιτύχει τη δημιουργία της πολυπόθητης τοπολογικά ταξινομημένης κατάστασης Floquet. Η κατάσταση αυτή είχε προβλεφθεί θεωρητικά εδώ και χρόνια, όμως κανείς δεν είχε καταφέρει να την παρατηρήσει μέχρι σήμερα.
Με τη βοήθεια προηγμένων τεχνικών, οι επιστήμονες απεικόνισαν την κατευθυνόμενη κίνηση σωματιδίων στην «περιφέρεια» του συστήματος, ένα χαρακτηριστικό γνώρισμα αυτής της κατάστασης. Επιπλέον, ανέπτυξαν έναν νέο αλγόριθμο παρεμβολής (interferometric algorithm) που τους επέτρεψε να διερευνήσουν τις υποκείμενες τοπολογικές ιδιότητες του συστήματος. Έτσι μπόρεσαν να παρακολουθήσουν σε πραγματικό χρόνο τη «μεταμόρφωση» εξωτικών σωματιδίων, μια διαδικασία που μέχρι τώρα υπήρχε μόνο στη θεωρία.
Η Melissa Will, υποψήφια διδάκτωρ στο Τμήμα Φυσικής του TUM School of Natural Sciences και πρώτη συγγραφέας της μελέτης, εξηγεί:
Οι μη ισορροπημένες φάσεις που χαρακτηρίζονται από υψηλή εμπλοκή (entanglement) είναι εξαιρετικά δύσκολο να προσομοιωθούν με κλασικούς υπολογιστές. Τα αποτελέσματά μας δείχνουν ότι οι κβαντικοί επεξεργαστές δεν είναι απλώς μηχανές υπολογισμού. Είναι ισχυρές πειραματικές πλατφόρμες που μας επιτρέπουν να ανακαλύψουμε και να εξερευνήσουμε εντελώς νέες καταστάσεις ύλης.
Η δήλωση αυτή υπογραμμίζει τη μετάβαση των κβαντικών υπολογιστών από εργαλεία καθαρά θεωρητικών υπολογισμών σε πραγματικά ερευνητικά εργαστήρια, όπου μπορούν να μελετηθούν φαινόμενα που ξεφεύγουν από τις δυνατότητες της κλασικής φυσικής.
Η επιτυχία αυτή ανοίγει τον δρόμο για μια νέα εποχή κβαντικών προσομοιώσεων. Οι επιστήμονες πλέον έχουν στα χέρια τους μια πλατφόρμα που τους επιτρέπει να μελετούν το ευρύ και σχεδόν ανεξερεύνητο τοπίο της μη ισορροπημένες κβαντικής ύλης. Αυτό μπορεί να οδηγήσει σε βαθύτερη κατανόηση θεμελιωδών φυσικών νόμων, αλλά και στη δημιουργία τεχνολογιών που μέχρι τώρα ανήκαν στη σφαίρα της επιστημονικής φαντασίας.
Πιθανές εφαρμογές περιλαμβάνουν νέες μορφές αποθήκευσης και μεταφοράς δεδομένων, πιο ανθεκτικά δίκτυα κβαντικής επικοινωνίας και φυσικά την ανάπτυξη υπολογιστικών μεθόδων που θα ξεπερνούν κάθε υπάρχουσα υποδομή.
[via]
