Ученые создали экзотические формы материи, которые не должны существовать

Настройка магнитных полей во времени может открыть совершенно новые формы материи и обеспечить более стабильное будущее для квантовых технологий. Credit: AI/ScienceDaily.com

Квантовые технологии, как ожидается, преобразуют обработку больших и сложных наборов данных. Хотя сейчас они используются в основном в лабораториях, область постепенно движется к реальным применениям в различных отраслях.

В недавнем исследовании, посвященном основам квантовой физики, ученые изучили, как материя ведет себя на чрезвычайно малых масштабах, включая атомы, электроны и фотоны. Работа под руководством лектора физического факультета Калифорнийского политехнического университета (Cal Poly) Иана Пауэлла была сосредоточена на том, как изменение магнитного поля во времени может заставить материю проявлять необычные и ранее невиданные свойства.

Пауэлл и студент-исследователь Луи Бухальтер, получивший степень бакалавра физики в Cal Poly в 2025 году, опубликовали свои результаты в журнале Physical Review B в статье под названием «Flux-Switching Floquet Engineering». Их исследование показывает, что при контролируемом изменении магнитных полей во времени могут генерироваться квантовые состояния, которые не существуют в материалах, остающихся неизменными с течением времени.

«В глобальном масштабе я бы описал это как прогресс в нашем понимании того, как управление с временной зависимостью может создавать и организовывать новые формы квантовой материи», — сказал Пауэлл. «Центральная идея заключается в том, что полезные квантовые свойства могут зависеть не только от того, из чего состоит материал, но и от того, как он управляется во времени. В нашем случае мы показываем, что периодическое изменение магнитного поля может создавать управляемые квантовые фазы, не имеющие статического аналога».

На пути к более стабильным квантовым технологиям

Тщательно рассчитывая время приложения магнитных полей, ученые могут создавать квантовые системы со свойствами, которые более стабильны и менее подвержены «шуму» или несовершенствам. Эти помехи являются серьезной проблемой в квантовой технологии, часто приводя к ошибкам в вычислениях или производительности системы.

Пауэлл отметил, что, хотя технические детали могут быть сложны для объяснения за пределами этой области, общая концепция ясна. Результаты указывают на новые способы создания и изучения этих необычных квантовых состояний в контролируемых условиях, таких как эксперименты с ультрахолодными атомами.

«Наиболее прямое отраслевое значение нашего исследования относится к квантовым вычислениям и квантовому моделированию, а не к какому-то конкретному сектору конечного использования на данном этапе», — сказал Пауэлл. «Любое возможное влияние на такие области, как фармацевтика, финансы, производство или аэрокосмическая промышленность, вероятно, будет косвенным, способствуя долгосрочному развитию лучших квантовых технологий. Для продвижения к промышленному использованию следующими шагами будут экспериментальная проверка и дальнейшая работа по связыванию этих идей с реалистичными платформами квантовых устройств».

Новые математические закономерности в квантовых системах

Помимо создания новых квантовых состояний, исследование также выявило математический организующий принцип, который отражает закономерности, обычно встречающиеся в квантовых системах более высокой размерности. Это предполагает, что относительно простые системы, управляемые изменяющимися условиями, могут предоставить новые способы изучения более сложной квантовой физики.

Команда также наметила, как формируются эти экзотические состояния, выявив точную структуру в топологической фазовой диаграмме системы. Эта диаграмма служит визуальным руководством по различным стабильным квантовым фазам, каждая из которых определяется фиксированными топологическими свойствами.

Почему квантовый контроль важен для вычислений

Квантовая механика позволяет вычислительным системам обрабатывать информацию способами, которые намного превосходят возможности классических компьютеров. Эти системы могут выполнять крупномасштабное моделирование, анализировать огромные наборы данных и более эффективно решать сложные проблемы.

Магнитные поля играют центральную роль в этом процессе. Они обычно используются для управления и измерения кубитов, фундаментальных единиц квантовой информации. Кубиты сравнимы с единицами 0 и 1 в классических вычислениях, используемых для представления физических электрических состояний.

Для Бухальтера участие в исследовании дало ценные сведения о процессе исследования и научной коммуникации.

«Я узнал, что исследования редко бывают прямолинейным процессом, часто требующим настойчивости и творческого решения проблем в ходе проекта», — сказал Бухальтер. «Я считаю, что наши результаты помогают продемонстрировать силу инженерии Флоке для реализации квантовых систем с высоконастраиваемыми свойствами, прокладывая путь для дальнейших исследований периодически управляемой квантовой материи и разработки ее приложений».

Осенью Бухальтер планирует начать программу магистра наук в области материаловедения и инженерии в Вашингтонском университете, где сосредоточится на экспериментальных исследованиях квантовой материи. Он также рассматривает будущую карьеру в национальной лаборатории, работая над разработкой квантовых устройств.

Источники:

Материалы предоставлены Калифорнийским политехническим университетом.

Ian Emmanuel Powell, Louis Buchalter. Flux-switching Floquet engineering. Physical Review B, 2026; 113 (19) DOI: 10.1103/c28t-x1dh