Эксперимент при абсолютном нуле впервые продемонстрировал, как квантовые системы переходят между фазами

Фазовые изменения, такие как превращение воды в лёд, знакомы многим. Однако в квантовой физике они могут быть значительно более впечатляющими, где квантовые эффекты, в том числе принцип неопределённости Гейзенберга, играют ключевую роль. Особый интерес представляют «диссипативные фазовые переходы» (ДФП), которые проявляются, когда система теряет энергию в окружающую среду. Эти изменения позволяют квантовым системам принимать новые состояния, что открывает возможности для контроля их поведения в неравновесных условиях — области, где традиционная термодинамика неэффективна.

ДФП подразделяются на два типа. Переходы первого порядка напоминают внезапное переключение между состояниями, как включение или выключение света. Второй порядок характеризуется более плавным, но значительным изменением симметрии системы, её общих свойств. Понимание таких процессов критически важно для создания надёжных квантовых компьютеров и сенсоров: переходы второго порядка могут улучшить сохранение квантовой информации, в то время как первого порядка — предложить новые способы управления системами.

Теоретически ДФП предсказывают такие явления, как бистабильность и «критическое замедление», подчинённые степенным законам. Однако их экспериментальное подтверждение, особенно для переходов второго порядка, долгое время оставалось непростой задачей.

Команде исследователей под руководством профессора Паскуале Скарлино из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) удалось преодолеть эту трудность. Результаты их работы стали возможны благодаря созданию сверхпроводящего керровского резонатора — устройства с регулируемыми квантовыми параметрами.

Резонатор был модифицирован для индукции двухфотонного возбуждения, направляющего пары фотонов в систему. Это дало возможность контролировать её квантовое состояние и изучать фазовые переходы в деталях. Эксперименты проводились при температурах, близких к абсолютному нулю, чтобы минимизировать фоновые шумы. Керровский резонатор усиливал тонкие квантовые эффекты, ранее недоступные для наблюдения.

С помощью сверхчувствительных детекторов учёные отслеживали динамику фотонов, исходящих из резонатора. Для анализа фазовых изменений применялись продвинутые математические методы, в том числе спектральные свойства супероператора Лиувилля, моделирующего сложные квантовые процессы.

При переходах второго порядка была зафиксирована «компрессия» — уменьшение квантовых флуктуаций ниже уровня фонового шума вакуума. Это сигнализировало о переходе системы в высокочувствительное состояние. При переходах первого порядка отмечался характерный гистерезисный цикл: система могла существовать в двух состояниях в зависимости от параметров. Также обнаружились метастабильные состояния, в которых система временно сохраняла устойчивость перед резким переходом.

Значимым открытием стало «критическое замедление» в обоих типах переходов — снижение скорости реакции системы вблизи критических точек, что соответствует теоретическим предположениям в рамках теории Лиувилля. Это подтверждает универсальность фазовых изменений и открывает перспективы для повышения точности квантовых измерений.

«Наша работа демонстрирует, как тесная интеграция теоретических и экспериментальных подходов ведёт к результатам, недостижимым отдельно», — отметил Гийом Болё, ведущий автор исследования.

Открытия в области ДФП прокладывают путь к разработке квантовых систем с уникальной стабильностью и чувствительностью. Это может стать революцией в квантовых вычислениях, улучшив коррекцию ошибок, и привести к созданию сверхчувствительных сенсоров.

Источник: iXBT