Учёные предсказали топологические свойства квантовых спиновых жидкостей с помощью решеток из ридберговских атомов

Решетка Кагоме, использованная в эксперименте. Красный круг обозначает радиус блокады Rb = 2.4a, установленный в процессе. Автор: Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-025-02944-3

Топологические квантовые системы — это физические системы, свойства которых зависят от общей связности их базовой решетки, а не от локальных взаимодействий и микроскопической структуры. Предсказание эволюции таких систем во времени и их дальнодействующих квантовых корреляций часто оказывается сложной задачей, поскольку их поведение не определяется намагниченностью или другими параметрами, связанными с локальными взаимодействиями.

Исследователи из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) недавно смоделировали тип топологической материи, известный как квантовая спиновая жидкость, используя новый численный подход. Этот метод, описанный в статье, опубликованной в журнале Nature Physics, был продемонстрирован с использованием широко применяемого экспериментального протокола, основанного на ридберговских атомах (атомах, в которых один или несколько электронов возбуждены до высокоэнергетических состояний).

«Всё началось с исследования, опубликованного Семегини и коллегами, в котором они экспериментально изучали топологическую спиновую жидкость», — рассказала Phys.org Линда Морон, ведущий автор статьи. «Эта работа была очень важной, так как стала одной из первых, где такое состояние наблюдалось не только в теории. Однако мы поняли, что все численные модели, как и во многих других экспериментах с ридберговскими атомами, не учитывали некоторые ключевые особенности экспериментальной установки и, возможно, сравнивались некорректно».

Опираясь на предыдущие исследования, Морон и её коллеги решили смоделировать топологическую спиновую жидкость с помощью симулятора на основе ридберговских атомов. Использованный ими подход, как и многие другие численные методы моделирования, основан на параметризации изучаемого квантового состояния.

«Если упростить, вместо того чтобы вычислять вероятности каждого возможного состояния (что для системы из N спинов означает 2^N состояний), мы кодируем квантовое состояние с помощью нескольких параметров, которые описывают его ключевые характеристики», — пояснила Морон. «В нашем случае ключевым моментом было прямое кодирование корреляций в волновой функции. Это преимущество по сравнению со стандартными методами, которые обычно сталкиваются с трудностями при увеличении запутанности (квантовых корреляций)».

Наконец, исследователи использовали широко известную численную схему для моделирования эволюции изучаемого квантового состояния во времени. Важно отметить, что применённая ими схема, известная как метод зависящего от времени вариационного Монте-Карло (t-VMC), не требует приближений для размера системы, формы её решетки или временной эволюции.

«Мы продемонстрировали способность нашего метода точно моделировать экспериментальный протокол на симуляторе ридберговских атомов без каких-либо приближений, сохраняя при этом возможность масштабирования до значимых размеров системы», — сказала Морон. «Как прямое следствие, наше исследование позволяет делать выводы о возможностях моделируемого протокола».

С помощью своей численной стратегии учёные смогли предсказать значения, которые невозможно получить в реальных экспериментах, например, топологическую энтропию запутанности квантовой системы. Это важная величина, которая помогает отличить истинно топологическое квантовое состояние от неупорядоченного состояния без топологического порядка.

В будущем предложенный подход может быть адаптирован другими исследовательскими группами для моделирования квантовых спиновых жидкостей и изучения их динамики.

«Сейчас мы сосредоточены на возможности моделировать дополнительные квантовые устройства и протоколы с помощью аналогичных методов», — добавила Морон. «Мы также продолжаем исследовать характеристики состояния, подготовленного с помощью описанного здесь протокола».

Дополнительная информация: Linda Mauron et al, Predicting topological entanglement entropy in a Rydberg analogue simulator, Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-025-02944-3