Квантовый процессор впервые создал экзотическую фазу материи

Автор: Unsplash/CC0 Public Domain

Фазы материи — это основные состояния, которые может принимать вещество, подобно воде, которая может находиться в жидкой или ледяной фазе. Традиционно эти фазы определяются в условиях равновесия, когда система стабильна во времени. Но природа допускает и более странные возможности: новые фазы, которые возникают только тогда, когда система выводится из равновесия. В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature, группа учёных демонстрирует, что квантовые компьютеры предлагают беспрецедентный способ изучения этих экзотических состояний материи.

В отличие от обычных фаз материи, так называемые неравновесные квантовые фазы определяются своими динамическими и эволюционирующими во времени свойствами — поведением, которое невозможно описать традиционной равновесной термодинамикой.

Особенно богатый класс неравновесных состояний возникает в системах Флоке — квантовых системах, которые периодически управляются во времени. Это ритмическое воздействие может порождать совершенно новые формы порядка, которые не могут существовать ни при каких равновесных условиях, раскрывая явления, принципиально недоступные для обычных фаз материи.

Используя 58-кубитный квантовый процессор на сверхпроводящих кубитах, команда из Технического университета Мюнхена (TUM), Принстонского университета и Google Quantum AI реализовала топологически упорядоченное состояние Флоке — фазу, которая ранее была теоретически предложена, но никогда не наблюдалась.

Исследователи непосредственно визуализировали характерные направленные движения на границе и разработали новый интерферометрический алгоритм для исследования фундаментальных топологических свойств системы. Это позволило им наблюдать динамическое «превращение» экзотических частиц — характерный признак, который теоретически предсказывался для этих экзотических квантовых состояний.

Квантовый компьютер как лаборатория

«Высоко запутанные неравновесные фазы печально известны тем, что их трудно моделировать на классических компьютерах», — сказала первый автор Мелисса Уилл, аспирант физического факультета TUM. — «Наши результаты показывают, что квантовые процессоры — это не просто вычислительные устройства, а мощные экспериментальные платформы для открытия и исследования совершенно новых состояний материи».

Эта работа открывает дверь в новую эру квантового моделирования, где квантовые компьютеры становятся лабораториями для изучения обширного и в значительной степени неисследованного ландшафта неравновесной квантовой материи. Полученные результаты могут иметь далеко идущие последствия — от понимания фундаментальной физики до проектирования квантовых технологий следующего поколения.

Больше информации: Probing Non-Equilibrium Topological Order on a Quantum Processor, Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-09456-3

Источник: Technical University Munich