Efekt Aharonowa-Bohma udało się przewidzieć w 1959 roku. O ile w mechanice klasycznej naładowana cząstka reaguje na pole elektromagnetyczne, gdy znajduje się w obszarze jego oddziaływania, tak mechanika kwantowa dopuszcza subtelniejszy scenariusz. W jego ramach cząstka może odczuć wpływ pola magnetycznego poprzez zmianę swojej fazy kwantowej, nawet jeśli jej droga nie prowadzi przez obszar, w którym pole to występuje.
Czytaj też: Technologie kwantowe zyskały niezapowiedziane wsparcie. Sekret tkwił w półprzewodnikach
Już wcześniej udało się potwierdzić ten fenomen w eksperymentach z rzeczywistymi elektronami, ale nowe badanie dotyczy innego kontekstu: teorii cechowania na sieci, czyli matematycznych modeli opisujących oddziaływania materii z polami. Modele te odgrywają istotną rolę między innymi w fizyce cząstek elementarnych i fizyce wysokich energii.
Wraz ze wzrostem złożoności takich układów ich dokładne obliczeniowe opisy stają się coraz większym wyzwaniem dla tradycyjnych komputerów. Symulacja kwantowa oferuje alternatywne podejście: zamiast obliczać wszystkie aspekty zachowania układu za pomocą klasycznych algorytmów, badacze budują urządzenie, które samo podlega prawom mechaniki kwantowej, i obserwują jego dynamikę.
Zespół badawczy odpowiedzialny za najnowsze doniesienia rozpoczął prace nad tym eksperymentem w 2022 roku. Naukowcy wykorzystali uwięzione jony, których różne właściwości kwantowe pełniły odmienne funkcje. Kubity, zakodowane w stanach wewnętrznych jonów, reprezentowały pola cechowania. Z kolei ich drgania, opisane jako oscylatory kwantowe, odpowiadały cząstkom materii. W ten sposób powstała prosta pętla, stanowiącą podstawowy element symulowanej teorii. Dwa oscylatory reprezentowały materię w dwóch punktach, a dwa kubity opisywały pola łączące te punkty.
Następnie naukowcy przygotowali kubity w stanie splątanym, który w modelu odpowiadał obecności strumienia magnetycznego przechodzącego przez pętlę. Istotną cechą rozwiązania było to, że pole nie stanowiło jedynie nieruchomego tła, lecz samo uczestniczyło w dynamice układu. Jak zauważa główny autor pracy, Sebastian Saner, możliwość zakodowania strumienia magnetycznego w dynamicznym polu cechowania pozwoliła badać materię i pole jako elementy tego samego procesu kwantowego.
Czytaj też: OpenAI ma model, którego nie udostępnia. Rozpracował setki zagadnień z matematyki
Najważniejszy rezultat pojawił się podczas obserwacji tunelowania kwantowego, czyli procesu umożliwiającego cząstce przejście przez barierę, której nie mogłaby pokonać w klasycznym opisie. Gdy strumień magnetyczny był nieobecny, cząstka mogła tunelować wokół pętli. Po jego wprowadzeniu dwie możliwe drogi zaczęły interferować destruktywnie. W rezultacie tunelowanie zostało całkowicie stłumione, a układ pozostał w stanie początkowym. Zaobserwowany wynik stanowił demonstrację efektu Aharonowa-Bohma w dynamicznym modelu teorii cechowania na sieci. I choć nie możemy jeszcze mówić o scenariuszy, w którym komputery kwantowe rozwiązują najtrudniejsze problemy fizyki cząstek, to odnotowany sukces pokazuje, że hybrydowe architektury kwantowe mogą służyć do badania fundamentalnych oddziaływań w kontrolowanych warunkach.
Źródło: Nature Physics
