Jak uspokoić świat kwantów? Trop to zmienne pola magnetyczne

Stany kwantowe łatwo tracą stabilność

Komputery kwantowe od lat opisuje się jako maszyny przyszłości. W teorii mogłyby pomagać w projektowaniu nowych leków, badaniu skomplikowanych materiałów i rozwiązywaniu problemów, z którymi zwykłe komputery radzą sobie bardzo wolno. Ta obietnica ma jednak słaby punkt: świat kwantowy jest wyjątkowo delikatny.

Stany kwantowe, na których opiera się działanie takich komputerów, są niezwykle kruche. Kontakt z otoczeniem, szum albo niewielkie zakłócenie mogą wystarczyć, by układ stracił stabilność. Właśnie dlatego fizycy szukają metod, które pozwolą im lepiej panować nad tym delikatnym światem.

Zmienne pola magnetyczne dają nowy ślad

Nowy trop prowadzi do zmiennych pól magnetycznych. Ian Powell i Louis Buchalter opisali w Physical Review B model, w którym pole magnetyczne nie działa stale tak samo, lecz zmienia się w czasie. Według ich obliczeń właśnie ten rytm może pomagać tworzyć szczególne stany kwantowe, niewystępujące w zwykłych, niezmiennych warunkach.

Główna idea polega na tym, że użyteczne właściwości kwantowe mogą zależeć nie tylko od tego, czym jest materiał, ale także od tego, jak jest pobudzany w czasie. W naszym przypadku pokazujemy, że okresowa zmiana pola magnetycznego może wytwarzać wymuszone fazy kwantowe bez statycznego odpowiednika.

– powiedział Ian Powell, główny autor badania, w oficjalnej informacji prasowej opublikowanej przez California Polytechnic State University.

Szum kwantowy blokuje rozwój tej technologii

Amerykański uczony i współautor badania pokazali, że precyzyjne sterowanie czasem działania pól magnetycznych może prowadzić do bardziej stabilnych i odpornych na zakłócenia zjawisk kwantowych. To ważne, bo jedną z największych barier tej technologii pozostaje szum kwantowy. W praktyce oznacza on między innymi utratę delikatnych stanów kwantowych przez kontakt z otoczeniem. Według specjalistycznych mediów właśnie ten problem nadal należy do głównych przeszkód w budowie praktycznych komputerów kwantowych.

Do zastosowań droga wciąż jest daleka

Efektem pracy są nowe sposoby projektowania nietypowych stanów kwantowych w kontrolowanych systemach, choćby w eksperymentach z ultrazimnymi atomami. To ważne dla symulacji i komputerów kwantowych, ale nie oznacza jeszcze gotowego rozwiązania dla przemysłu. Od modelu fizycznego do zastosowania w produkcji, farmacji, lotnictwie czy finansach wciąż jest długa droga.

Mimo to badanie przynosi coś istotnego: pokazuje, że fizycy mogą zyskać nowe narzędzie do porządkowania i badania świata kwantowego.

Prosta zasada porządkuje fazy kwantowe

Badacze dostrzegli też zasadę matematyczną, która porządkuje cały system. Co istotne, przypomina ona wzorce znane dotąd ze znacznie bardziej złożonych, wyższowymiarowych układów kwantowych. To odkrycie sugeruje, że nawet prostsze systemy, jeśli zostaną odpowiednio pobudzone, mogą stać się nowym narzędziem do badania fizyki kwantowej.

Zmienne pola magnetyczne mogą tworzyć nowe warunki

Kolejnym efektem tej pracy jest matematyczna zasada, która porządkuje cały układ. Można ją porównać do mapy pokazującej, jakie fazy kwantowe mogą się w nim pojawić i jak są ze sobą powiązane. To ważne, bo sugeruje, że nawet stosunkowo proste układy, jeśli są odpowiednio pobudzane, mogą stać się nowym narzędziem do badania zjawisk kwantowych.

Topologia pomaga zrozumieć stabilne fazy

Amerykański badacz i jego współpracownik opisali także strukturę, która porządkuje diagram faz topologicznych tego systemu. Można ją czytać jak mapę odrębnych, stabilnych faz kwantowej materii, opartych na trwałych właściwościach topologicznych.

Szum kwantowy pozostaje największym testem

To dlatego ten pozornie abstrakcyjny problem ma znaczenie. Mechanika kwantowa może kiedyś pozwolić zaawansowanym systemom obliczeniowym pracować szybciej niż zwykłe komputery tam, gdzie dzisiejsze maszyny dochodzą do granic swoich możliwości. Może też dać naukowcom narzędzia do analizowania niezwykle złożonych układów i prowadzenia symulacji, które dziś pozostają bardzo trudne albo po prostu niemożliwe.

Warto przeczytać: Czy wspomnienia są prawdziwe? Ta hipoteza niepokoi fizyków