Kwantowa ciecz spinowa, czyli co?

Pół wieku warzenia. Naukowcy stworzyli w końcu nowy stan materii – kwantową ciecz spinową

Naukowcy z Uniwersytetu Harvarda stworzyli kwantową ciecz spinową, egzotyczny stan materii, poszukiwany od 50 lat. Badania nad nim mogą przyczynić się do rozwoju – a jakże – komputerów kwantowych.

W 1973 r. fizyk Philip Anderson zaproponował istnienie nowego stanu materii, który stał się obiektem badań naukowców z całego świata. To tzw. kwantowa ciecz spinowa, która – wbrew nazwie – nie ma nic wspólnego z tradycyjnym płynem. Teraz naukowcy z Uniwersytetu Harvarda po raz pierwszy stworzyli kwantową ciecz spinową.

Ciecz, której nikt nie widział

W klasycznych magnesach, gdy temperatura spada poniżej krytycznej wartości, elektrony stabilizują się i powstaje ciało stałe o właściwościach magnetycznych. W kwantowych cieczach spinowych, elektrony po ochłodzeniu nie stabilizują się i nie formują w ciało stałe. Ciągle zmieniają kształt, tworząc jeden z najbardziej egzotycznych stanów kwantowych, jakie kiedykolwiek zaobserwowano.

Czytaj też: Druga zasada termodynamiki wzmocniona. Komputery kwantowe coraz bliżej?

Właściwości kwantowych cieczy spinowych pozwalają wierzyć, że można wykorzystać je do rozwoju technologii, takich jak nadprzewodniki wysokotemperaturowe czy komputery kwantowe. Problem był jeden: nikomu nie udało się potwierdzić istnienia kwantowej cieczy spinowej. Aż do teraz. Zespół fizyków z Uniwersytetu Harvarda dokonał przełomu. Wyniki zostały opisane w Science.

To bardzo szczególny moment w tej dziedzinie. Możesz naprawdę dotknąć tego egzotycznego stanu i manipulować nim, aby zrozumieć jego właściwości. Jest to nowy stan materii, którego ludzie nigdy nie byli w stanie zaobserwować.

prof. Mikhail Lukin, współdyrektor Harvard Quantum Initiative i jeden z autorów pracy

Kwantowe ciecze spinowe mogą być kluczem do stworzenia topologicznych kubitów, odpornych na szumy i zakłócenia z zewnątrz.

To marzenie w dziedzinie obliczeń kwantowych. Nauczenie się, jak stworzyć i wykorzystać takie topologiczne kubity, stanowiłoby duży krok w kierunku realizacji niezawodnych komputerów kwantowych.

Giulia Semeghini, doktorantka w Harvard-Max Planck Quantum Optics Center

Co jest niezwykłego w kwantowej cieczy spinowej?

Kwantowa ciecz spinowa została zaobserwowana za pomocą programowalnego symulatora kwantowego, który stworzono na Harvardzie w 2017 r. Jest to rodzaj komputera kwantowego, który pozwala tworzyć programowalne kształty, np. kwadraty, plastry miodu czy trójkątne kratownice. Symulator jest wykorzystywany do analizowania wielu złożonych procesów kwantowych.

Naukowcy z Uniwersytety Harvarda badający kwantową ciecz spinową

Możesz odsunąć atomy od siebie tak daleko, jak chcesz; możesz zmienić częstotliwość światła laserowego; możesz naprawdę zmienić parametry natury w sposób, w jaki nie mogłeś w materiale, w którym te rzeczy były badane wcześniej. Tutaj można spojrzeć na każdy atom i zobaczyć, co robi.

prof. Subir Sachdev, fizyk z Institute for Advanced Study (IAS)

W klasycznych magnesach, spiny elektronów są zwrócone w jednym kierunku (w dół lub górę). Kwantowe ciecze spinowe nie wykazują takiego uporządkowania magnetycznego.

Zasadniczo, są one w różnych konfiguracjach w tym samym czasie z pewnym prawdopodobieństwem. To jest podstawa superpozycji kwantowej.

Giulia Semeghini

Naukowcy z Uniwersytetu Harvarda wykorzystali symulator do stworzenia wzoru siatki, umieszczając tam atomy w stanie splątanym. Następnie byli w stanie zmierzyć i przeanalizować połączenia między atomami – tzw. struny topologiczne. Ich obecność to dowód, że między atomami zachodzą korelacje kwantowe i pojawił się stan materii zwany kwantową cieczą spinową.

Reklama

Czytaj też: Nadchodzi valleytronika. Komputery kwantowe działające w temperaturze pokojowej

Planowane są dalsze prace z udziałem symulatora, aby zbadać, jak kwantowe cieczy spinowe mogą przyczynić się do tworzenia kubitów.