[Перевод] Кажется, эта квантовая машина противоречит стремлению Вселенной к беспорядку

Один из первых квантовых симуляторов продемонстрировал загадочное явление: ряд атомов, который периодически возвращается к упорядоченному состоянию. Физики наперегонки пытаются объяснить происходящее.

Тающее мороженое не подвержено спонтанному замерзанию. Однако один из квантовых симуляторов постоянно возвращается в упорядоченное состояние после достижения системой равновесия.

Пройдёт достаточно времени, и даже в самой прибранной комнате возникнет беспорядок. Одежда, книги и бумаги покинут своё упорядоченное состояние и рассеются по полу. И, что раздражает, эта тенденция к беспорядку отражает закон природы: беспорядок стремится расти.

Если, к примеру, вы вскроете баллон аквалангиста под давлением, молекулы воздуха внутри него вылетят наружу и разлетятся по комнате. Поместите кубик льда в горячую воду, и молекулы воды, замёрзшие в упорядоченной кристаллической решётке, разорвут свои связи и рассредоточатся. При смешивании и распределении система стремится к равновесию с окружающей средой, что называется термализацией.

Это распространённый и интуитивно понятный эффект, который и ожидали увидеть физики, выстроившие 51 атом рубидия в ряд, и удерживающие их на месте при помощи лазеров. Атомы начинали с упорядоченной структуры, и переключались между «основным» состоянием с минимальной энергией и возбуждённым состоянием. Исследователи предположили, что эта система быстро термализуется: чередование основных и возбуждённых состояний почти сразу успокоится в виде некоей беспорядочной последовательности.

Сначала последовательности действительно получались беспорядочными. Но затем, к удивлению учёных, они возвращались к первоначальной перемежающейся последовательности. После дополнительного перемешивания атомы опять вернулись к изначальной конфигурации. Состояния перемежались туда и обратно с частотой несколько раз в микросекунду – ещё долго после того, как система должна была термализоваться.

Всё выглядело так, будто вы уронили кубик льда в горячую воду, а он не просто так растаял, сказал Михаил Лукин, физик из Гарвардского университета и лидер группы учёных. «Мы видим, как лёд тает, а потом кристаллизируется, потом тает, и снова кристаллизируется, — сказал он. – Это нечто весьма необычное».

Физики прозвали это странное поведение «многочастичным квантовым рубцеванием». Атомы, судя по всему, несут в себе отпечаток прошлого, будто бы какой-то шрам, что заставляет их возвращаться к оригинальной конфигурации снова и снова.

За 16 месяцев, прошедших с момента публикации работы в журнале Nature, несколько групп физиков попытались разобраться в природе этих квантовых шрамов. Некоторые считают, что это открытие может открыть новую категорию взаимодействия и поведения квантовых частиц, отрицающую предположения физиков о том, что такая система неумолимо движется к термализации. Кроме того, эффект рубцевания может привести к созданию новых видов квантовых битов длительного хранения, являющихся ключевыми ингредиентами будущих квантовых компьютеров.

Преодолевая нулевую вероятность

Физики и в самом деле при построении системы из 51 атомов имели в виду квантовые вычисления. Эта система задумывалась как квантовый симулятор, машина, созданная для симуляции квантовых процессов, которые невозможно исследовать другими методами при помощи классического компьютера. В своё время эта система была крупнейшим квантовым симулятором из всех.

Атомы гарвардской машины служат кубитами, а их состояния, основное или возбуждённое, называются ридберговскими. Исследователи могут подстраивать систему, изменяя, например, силу взаимодействия атомов друг с другом.

Исследователи подготовили несколько изначальных последовательностей основных и возбуждённых состояний атомов. Поскольку атомы активно взаимодействуют друг с другом, они должны прийти к термализации. Но вместо взаимодействий, напоминающих молекулы в газе, атомы в такой квантовой системе вырабатывают вид глубокой квантовой связи, известный, как запутанность. «А потом запутанность распространяется, — сказал Лукин. – Вот так и происходит термализация».

Михаил Лукин

И обычно запутанность в симуляторе росла. Однако когда исследователи запустили эксперимент, выстроив атомы в последовательности чередования возбуждённых и основных состояний, частицы сначала обретали запутанность, а потом теряли её, колеблясь туда и сюда от изначальной конфигурации.

Такое поведение казалось маловероятным, на грани невозможного. После того, как атомы начинают взаимодействовать, их чередующаяся последовательность должна очень быстро забыться, поскольку атомы могут переходить в огромное количество возможных последовательностей возбуждённых и основных состояний. Это похоже на пример с баллоном, молекулы воздуха из которого покидают изначальную конфигурацию и распространяются по комнате. Для их распространения существует огромное количество мест, поэтому вероятность того, что все они случайно втиснутся обратно в баллон, практически нулевая.

«Квантовая система может существовать в таком количестве возможных состояний, что для неё было бы чрезвычайно сложно вернуться к изначальному», — сказал Златко Папич, физик из Университета Лидса в Англии.

Однако Лукин говорит, что именно это они и наблюдали. Система наделена какой-то особой физикой, позволяющей ей возвращаться назад по своему собственному пути, сказал Папич. «Она оставляет за собой след из хлебных крошек, и возвращается к началу пути».

«Это первое реальное открытие, сделанное при помощи квантовой машины», — сказал Лукин.

Лукин с коллегами начали описывать эксперимент, но до публикации работы Лукин описал его на конференции в итальянском Триесте в июле 2017. «Мы не знали, как это понимать», — сказал Папич, бывший в тот день в аудитории. «Не думаю, что у кого-то из присутствовавших были идеи для объяснения причин этого».

Шрамы на стадионе

Однако вскоре Папич с коллегами поняли, что такое поведение напоминает явление, открытое порядка 30 лет назад. В 1980-х физик Эрик Геллер из Гарварда изучал квантовый хаос: что будет, если применить квантовую механику к хаотичным системам? В частности, Геллер рассматривал отскоки шаров внутри «стадиона Бунимовича» – прямоугольного стола с закруглёнными углами. Система является хаотичной; за достаточно долгое время шар пройдёт по всем возможным траекториям внутри стадиона. Но если запустить шар под определённым углом, он вечно будет следовать по одной и той же траектории.

В мысленном эксперименте Геллер заменил шар квантовой частицей. «Наивное ожидание состоит в том, что, если наша классическая система уже хаотична», — сказал Папич, то после добавления правил квантовой механики «стоит ожидать ещё большей хаотизации её поведения». Волновая функция частицы – абстрактный математический пакет её квантовых свойств – должна размазаться по стадиону, как волны распространяются по пруду. Вероятность найти частицу в определённом месте стадиона должна быть равной для всех его точек.

Помещённая на стадион Бунимовича частица может демонстрировать шрамы-траектории, где вероятность её обнаружения высока

Однако Геллер обнаружил, что волновая функция не распространяется равномерно, а скапливается на путях, повторяющих траекторию из классического примера, по которой бесконечно двигается шарик. Будто бы волны вырабатывают память об этой особой траектории. «Это похоже на путь домой для волн, — сказал Геллер. – Они хотят вернуться к месту рождения. Вот так просто».

Находясь на этой траектории, волновая функция частицы конструктивно интерферирует сама с собой, добавляя пики к пикам, а провалы к провалам. В итоге частица с наибольшей вероятностью будет находиться где-то на этом пути. На графике распределение вероятности напоминает размытую версию классических периодических траекторий. «Мне они кажутся шрамами», — сказал Геллер. Поэтому в своей работе 1984 года он их так и назвал.

Возможно, похожее явление может объяснить тот факт, что система из 51 атома возвращается к своей изначальной конфигурации, подумал Папич. Возможно, она тоже скучает по дому.

Разрез, оставляющий шрам

Чтобы это выяснить, Папич с коллегами проанализировали квантовые состояния модели 51-атомной системы. Они обнаружили, что её странное колебательное поведение действительно напоминало квантовое рубцевание Геллера. Они определили состояния, напоминавшие те особые случаи, соответствовавшие траекториям-шрамам. Периодически возвращаясь к этим состояниям, система могла избежать термализации. Связь с квантовым рубцеванием была достаточно прочной для того, чтобы в своей прошлогодней работе, опубликованной в журнале Nature Physics, они назвали это явление «многочастичным квантовым рубцеванием».

Несмотря на первоначальный скептицизм, вызванный анализом Папича, Лукин, а также Вен Вей Хо, физик из Гарварда, и другие, установили более прочную связь с квантовым рубцеванием в работе, опубликованной в январе. Они определили классический способ описания состояния 51-атомной системы в виде точки в абстрактном пространстве. С изменением состояния системы точка движется в пространстве. Исследователи обнаружили, что когда система испытывает свои странные колебания, точка болтается туда и сюда так же, как шар на особой периодической траектории, проложенной по стадионному бильярдному столу.

Экспериментальная установка, на которой исследователи создали квантовый симулятор

Найдя классическую аналогию, исследователи подкрепили утверждение, что феномен одной частицы Геллера применим и к многочастичной системе. «Эти ребята явно что-то обнаружили, — сказал Геллер. – Однозначно».

Ясно одно — этот эксперимент возбудил интерес исследователей со всего мира. Одна группа из Калифорнийского технологического института определила математические выражения, обозначающие некоторые из особых состояний 51-атомной системы. Другая, из Принстона, предположила, что шрамы могут быть частью более общего явления, применимого в различных областях физики конденсированных сред. «Мы думаем, что вроде бы понимаем, что происходит в этой системе, — сказал Хо. – Однако у нас до сих пор нет обобщённого метода поиска других траекторий-шрамов».

Остаются и более глубокие вопросы. «Шрамы – полезное описание проблемы, — сказал Ведика Кемани, физик из Гарварда, не связанный с экспериментом. – Но не думаю, что у нас есть реальное понимание того, что приводит к их появлению».

Структура в случайности

Несмотря на все эти неизвестные, многочастичное рубцевание очень интересует физиков, поскольку может представлять новый класс квантовых систем.

За последние несколько лет физики изучали другой похожий класс, многочастичную локализацию, в которой случайные изъяны предотвращают термализацию системы. В качестве аналогии представьте стадо коров, гуляющих по плоскому полю. Коровы в итоге должны разбрестись по разным местам – назовём это коровьей термализацией. Но если на поле встретятся случайные холмы, коровы в итоге окажутся в низинах.

Сходным образом многочастичная квантовая система шрамов не является хаотичной системой, стремящейся к термализации. Но и никаких холмов в ней нет. «Эта работа говорит о существовании нового класса систем, находящихся где-то посередине», — сказал Папич.

Для объяснения эффекта рубцевания, в новом анализе Кемани предполагается, что 51-атомная система может быть интегрируемой системой (или приближаться к таковой). Это особый, изолированный случай системы со множеством ограничений и особенностей, подстраиваемых так, чтобы предотвратить её термализацию. Так что, если система шрамов интегрируема, она может оказаться уникальным случаем в более широком классе явлений.

Физики изучают интегрируемые системы десятилетиями, и если система окажется интегрируемой, сказал Папич, то следствия этого факта будут уже не такими интересными, как если эта квантовая система окажется уникальной. Папич, Хо и Лукин написали работу, где приводятся аргументы против этой возможности.

Но вне зависимости от того, окажется ли рубцевание новым классом квантового поведения, это открытие указывает на соблазнительную возможность улучшения квантовых компьютеров. Одна из проблем создания квантового компьютера – необходимость защиты его хрупких кубитов. Любое возмущение или нарушение покоя со стороны окружающей среды может заставить кубиты термализоваться, и стереть любую хранящуюся в них информацию, что сделает компьютер бесполезным. «Если нам удастся найти общий способ внедрения рубцевания в другие системы, возможно, мы сумеем защищать квантовую информацию долговременно», — сказал Хо.

Тогда рубцевание может дать компьютеру способ держаться за хранящиеся данные, предохраняя прошлое от стирающего его хаоса термализации.

«Существует некая красивая структура, каким-то образом сохраняющаяся в совершенно случайном окружении, — сказал Папич. – Какая физика позволяет этому процессу работать? Это глубокий и многогранный вопрос, охватывающий множество областей физики, и этот эффект — одно из его проявлений».