Дослідники з Нанкінського університету в Китаї використовували надпровідний квантовий чип для моделювання системи частинок, які не є ні ферміонами, ні бозонами.
У рамках цього моделювання вони виміряли параметр, відомий як квантовий геометричний тензор, що надає локальну інформацію про топологічні властивості системи.
Робота знаменує собою перший випадок вимірювання в так званій неабелевій системі - результат, який буде корисний для вивчення фізики складних систем, на зразок топологічних матеріалів.
Згідно з квантовою механікою і квантовою теорією поля, всі елементарні частинки поділяються на одну з двох груп: ферміони і бозони. Ферміони, тобто електрони, підкоряються принципу виключення Паулі: жодні два ферміони ніколи не можуть займати один і той самий квантовий стан.
Схильність тікати один від одного лежить в основі широкого спектра явищ, включно з електронною структурою атомів, стабільністю нейтронних зірок і різницею між металами (які проводять електричний струм) та ізоляторами (які його не проводять).
Бозони, на кшталт фотонів, об'єднуватися в групи, що призводить до надплинності та надпровідності.
Деякі матеріали, однак, містять інші, більш екзотичні типи елементарних частинок.
Неабелеві частинки не є ні бозонами, ні ферміонами. Вони складаються з комплексних частинок, - сильно взаємодіючі електрони, - що призводить до появи унікальних характеристик матеріалів. Наприклад, виродження, тобто неабелеві частинки, маючи одну й ту саму енергію, можуть перебувати одночасно в декількох квантових станах.
Зі свого боку, багато квантових станів можуть займати найнижчий енергетичний рівень, утворюючи вироджений основний стан. Такі стани стійкі до збурень у навколишньому середовищі, оскільки відокремлені енергетичним зазором від збуджених, більш високоенергетичних станів.
Інша ключова властивість неабелевих частинок полягає в тому, що заміна двох із них зрушує систему між різними основними станами.
"Якщо серія обмінів здійснюється в певному порядку, кінцевий стан системи залежатиме від цього порядку. Така маніпуляція не залежить від взаємодії між частинками або навколишнього середовища", - пояснює Ян Ю, який очолював дослідження.
"Усе це робить такі системи ідеальними кандидатами для топологічних квантових обчислень. Проблема, однак, полягає в тому, що важко реалізувати й охарактеризувати неабелеву систему в реальному експерименті".
У неабелевих системах квантовий геометричний тензор має складнішу математичну структуру, ніж у системах із бозонів та ферміонів. Відповідно, він втілює більше фізичних явищ.
Хоча останніми роками дослідники вимірювали квантовий геометричний тензор абелевих систем (включно з надпровідними квантовими ланцюгами та платформами з азотними вакансіями-центрами), раніше вони не оперували неабелевими системами.
У новій роботі Ю і його колеги вивчали систему, що складається з чотирьох настроюваних надпровідних квантових бітів (кубітів), зібраних у кільцеву структуру і з'єднаних один з одним.
"Швидко і періодично модулюючи частоту кубітів, ми можемо вільно визначати величину і фазу сили зв'язку між найближчими сусідніми кубітами і, таким чином, створити неабелеву систему, геометричні властивості якої можливо досліджувати", - додає Ю.
"А правильно налаштувавши її параметри, ми створюємо неабелеву систему".
"Ми також можемо витягти весь квантовий геометричний тензор із патернів коливань між квантовими станами системи", - розповідає він Physics World.
Дослідники кажуть, що ця робота демонструє, що надпровідний квантовий чип є чудовою платформою для квантового моделювання.
Тепер вчені сподіваються змоделювати більш складні квантові системи і досліджувати нову фізику за допомогою більшої кількості кубітів.
