Ένας δακτύλιος υπεραγώγιμων qubit μπορεί να φιλοξενήσει «δεσμευμένες καταστάσεις» φωτονίων μικροκυμάτων, όπου τα φωτόνια τείνουν να συσσωρεύονται σε γειτονικές θέσεις qubit. Πίστωση: Google Quantum AI
Χρησιμοποιώντας έναν κβαντικό επεξεργαστή, οι ερευνητές έκαναν τα φωτόνια μικροκυμάτων αχαρακτήριστα κολλώδη. Αφού τους ώθησαν να συγκεντρωθούν σε δεσμευμένες καταστάσεις, ανακάλυψαν ότι αυτά τα σμήνη φωτονίων επιβίωσαν σε ένα καθεστώς όπου αναμενόταν να διαλυθούν στις συνήθεις, μοναχικές τους καταστάσεις. Καθώς το εύρημα έγινε για πρώτη φορά σε έναν κβαντικό επεξεργαστή, σηματοδοτεί τον αυξανόμενο ρόλο που παίζουν αυτές οι πλατφόρμες στη μελέτη της κβαντικής δυναμικής.
Τα φωτόνια – κβαντικά πακέτα ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας όπως το φως ή τα μικροκύματα – συνήθως δεν αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. Για παράδειγμα, δύο σταυρωτές δέσμες φακού περνούν η μία από την άλλη ανενόχλητες. Ωστόσο, τα φωτόνια μικροκυμάτων μπορούν να αλληλεπιδρούν σε μια σειρά υπεραγώγιμων qubits.
Ερευνητές στο Google Quantum AI περιγράφουν πώς κατασκεύασαν αυτή την ασυνήθιστη κατάσταση στο “Σχηματισμός ισχυρών δεσμευμένων καταστάσεων αλληλεπιδρώντων φωτονίων”, που δημοσιεύτηκε στις 7 Δεκεμβρίου στο περιοδικό Φύση. Διερεύνησαν έναν δακτύλιο 24 υπεραγώγιμων qubits που θα μπορούσαν να φιλοξενήσουν φωτόνια μικροκυμάτων. Εφαρμόζοντας κβαντικές πύλες σε ζεύγη γειτονικών qubits, τα φωτόνια θα μπορούσαν να ταξιδεύουν τριγύρω πηδώντας μεταξύ γειτονικών θέσεων και αλληλεπιδρώντας με κοντινά φωτόνια.
Οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των φωτονίων επηρέασαν τη λεγόμενη «φάση» τους. Η φάση παρακολουθεί την ταλάντωση της κυματοσυνάρτησης του φωτονίου. Όταν τα φωτόνια δεν αλληλεπιδρούν, η συσσώρευση φάσης τους είναι μάλλον χωρίς ενδιαφέρον. Σαν μια καλοπροβαμένη χορωδία, είναι όλα συγχρονισμένα μεταξύ τους. Σε αυτή την περίπτωση, ένα φωτόνιο που ήταν αρχικά δίπλα σε άλλο φωτόνιο μπορεί να πηδήξει μακριά από τον γείτονά του χωρίς να βγει εκτός συγχρονισμού. Όπως κάθε άτομο στη χορωδία συνεισφέρει στο τραγούδι, κάθε πιθανό μονοπάτι που μπορεί να ακολουθήσει το φωτόνιο συμβάλλει στη συνολική κυματοσυνάρτηση του φωτονίου. Μια ομάδα φωτονίων που αρχικά συγκεντρώθηκαν σε γειτονικές θέσεις θα εξελιχθεί σε μια υπέρθεση όλων των πιθανών μονοπατιών που μπορεί να έχει ακολουθήσει κάθε φωτόνιο.
Όταν τα φωτόνια αλληλεπιδρούν με τους γείτονές τους, αυτό δεν ισχύει πλέον. Εάν ένα φωτόνιο πηδήξει μακριά από τον γείτονά του, ο ρυθμός συσσώρευσης φάσης του αλλάζει, καθιστώντας εκτός συγχρονισμού με τους γείτονές του. Όλες οι διαδρομές στις οποίες χωρίζονται τα φωτόνια επικαλύπτονται, οδηγώντας σε καταστροφικές παρεμβολές. Θα ήταν σαν κάθε μέλος της χορωδίας να τραγουδάει με τον δικό του ρυθμό — το ίδιο το τραγούδι ξεπλένεται, καθιστώντας αδύνατο να διακρίνει κανείς μέσα από τη βουή των μεμονωμένων τραγουδιστών. Μεταξύ όλων των πιθανών μονοπατιών διαμόρφωσης, το μόνο πιθανό σενάριο που επιβιώνει είναι η διαμόρφωση στην οποία όλα τα φωτόνια παραμένουν ομαδοποιημένα σε μια δεσμευμένη κατάσταση. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο η αλληλεπίδραση μπορεί να ενισχύσει και να οδηγήσει στο σχηματισμό μιας δεσμευμένης κατάστασης: καταστέλλοντας όλες τις άλλες δυνατότητες στις οποίες τα φωτόνια δεν είναι συνδεδεμένα μεταξύ τους.
Για να δείξουν αυστηρά ότι οι δεσμευμένες καταστάσεις συμπεριφέρονταν πράγματι ακριβώς όπως τα σωματίδια, με σαφώς καθορισμένες ποσότητες όπως η ενέργεια και η ορμή, οι ερευνητές ανέπτυξαν νέες τεχνικές για να μετρήσουν πώς η ενέργεια των σωματιδίων άλλαζε με την ορμή. Αναλύοντας πώς οι συσχετίσεις μεταξύ των φωτονίων ποίκιλαν με το χρόνο και το χώρο, μπόρεσαν να ανακατασκευάσουν τη λεγόμενη «σχέση διασποράς ενέργειας-ορμής», επιβεβαιώνοντας τη σωματιδιακή φύση των δεσμευμένων καταστάσεων.
Η ύπαρξη των δεσμευμένων καταστάσεων από μόνη της δεν ήταν νέα — σε ένα καθεστώς που ονομάζεται «ολοκληρώσιμο καθεστώς», όπου η δυναμική είναι πολύ λιγότερο περίπλοκη, οι δεσμευμένες καταστάσεις είχαν ήδη προβλεφθεί και παρατηρηθεί πριν από δέκα χρόνια. Αλλά πέρα από την ενσωμάτωση, κυριαρχεί το χάος. Πριν από αυτό το πείραμα, εικαζόταν εύλογα ότι οι δεσμευμένες καταστάσεις θα καταρρεύσουν εν μέσω χάους. Για να το δοκιμάσουν αυτό, οι ερευνητές ώθησαν πέρα από την ενσωμάτωση προσαρμόζοντας την απλή γεωμετρία του δακτυλίου σε ένα πιο περίπλοκο δίκτυο συνδεδεμένων qubits σε σχήμα γραναζιού. Έμειναν έκπληκτοι όταν διαπίστωσαν ότι οι δεσμευμένες πολιτείες παρέμειναν μέχρι το χαοτικό καθεστώς.
Η ομάδα του Google Quantum AI εξακολουθεί να μην είναι βέβαιη από πού αντλούν την απροσδόκητη ανθεκτικότητά τους αυτές οι δεσμευμένες καταστάσεις, αλλά θα μπορούσε να έχει κάτι να κάνει με ένα φαινόμενο που ονομάζεται «προθερμοποίηση», όπου οι ασύμβατες κλίμακες ενέργειας στο σύστημα μπορούν να εμποδίσουν ένα σύστημα να φτάσει σε θερμική ισορροπία τόσο γρήγορα όπως θα γινόταν διαφορετικά.
Οι ερευνητές αναμένουν ότι η μελέτη αυτού του συστήματος θα προσφέρει νέες γνώσεις για την κβαντική δυναμική πολλών σωμάτων και θα εμπνεύσει περισσότερες θεμελιώδεις ανακαλύψεις της φυσικής χρησιμοποιώντας κβαντικούς επεξεργαστές.
Αναφορά: “Formation of robust bond states of interacting microwave photons” από τους A. Morvan, TI Andersen, X. Mi, C. Neill, A. Petukhov, K. Kechedzhi, DA Abanin, A. Michailidis, R. Acharya, F. Arute, K. Arya, A. Asfaw, J. Atalaya, JC Bardin, J. Basso, A. Bengtsson, G. Bortoli, A. Bourassa, J. Bovaird, L. Brill, M. Broughton, BB Buckley, DA Buell , T. Burger, B. Burkett, N. Bushnell, Z. Chen, B. Chiaro, R. Collins, P. Conner, W. Courtney, AL Crook, B. Curtin, DM Debroy, A. Del Toro Barba, S Demura, A. Dunsworth, D. Eppens, C. Erickson, L. Faoro, E. Farhi, R. Fatemi, L. Flores Burgos, E. Forati, AG Fowler, B. Foxen, W. Giang, C. Gidney , D. Gilboa, M. Giustina, A. Grajales Dau, JA Gross, S. Habegger, MC Hamilton, MP Harrigan, SD Harrington, M. Hoffmann, S. Hong, T. Huang, A. Huff, WJ Huggins, SV Isakov, J. Iveland, E. Jeffrey, Z. Jiang, C. Jones, P. Juhas, D. Kafri, T. Khattar, M. Khezri, M. Kieferová, S. Kim, AY Kitaev, PV Klimov, AR Klots , AN Korotkov, F. Kostritsa, JM Kreikebaum, D. Lan dhuis, P. Laptev, K.-M. Lau, L. Laws, J. Lee, KW Lee, BJ Lester, AT Lill, W. Liu, A. Locharla, F. Malone, O. Martin, JR McClean, M. McEwen, B. Meurer Costa, KC Miao, M. Mohseni, S. Montazeri, E. Mount, W. Mruczkiewicz, O. Naaman, M. Neeley, A. Nersisyan, M. Newman, A. Nguyen, M. Nguyen, MY Niu, TE O’Brien, R. Olenewa, A. Opremcak, R. Potter, C. Quintana, NC Rubin, N. Saei, D. Sank, K. Sankaragomathi, KJ Satzinger, HF Schurkus, C. Schuster, MJ Shearn, A. Shorter, V. Shvarts, J. Skruzny, WC Smith, D. Strain, G. Sterling, Y. Su, M. Szalay, A. Torres, G. Vidal, B. Villalonga, C. Vollgraff-Heidweiller, T. White, C. Xing, Z Yao, P. Yeh, J. Yoo, A. Zalcman, Y. Zhang, N. Zhu, H. Neven, D. Bacon, J. Hilton, E. Lucero, R. Babbush, S. Boixo, A. Megrant , J. Kelly, Y. Chen, V. Smelyanskiy, I. Aleiner, LB Ioffe και P. Roushan, 7 Δεκεμβρίου 2022, Φύση.
DOI: 10.1038/s41586-022-05348-y