Kluczową rolę w całym przedsięwzięciu odegrał 58-kubitowy procesor kwantowy Google Willow, ten sam, który wcześniej wywołał spore zamieszanie w środowisku naukowym. Wygląda na to, że urządzenie to może służyć nie tylko do obliczeń, ale stać się prawdziwym laboratorium do badania zupełnie nowych zjawisk.
Naukowcy wreszcie potwierdzili teoretyczne przewidywania
Zespół badawczy z Politechniki Monachijskiej, Uniwersytetu Princeton oraz Google Quantum AI zrealizował stan Floquet o uporządkowaniu topologicznym. To fascynujące, ponieważ mowa o fazie materii, której istnienie dotychczas jedynie przewidywano w teoriach, bez możliwości eksperymentalnego potwierdzenia.
Co szczególnie ciekawe, tradycyjna termodynamika równowagowa zupełnie nie radzi sobie z opisem takich nierównowagowych stanów kwantowych. Badania opublikowane w prestiżowym periodyku Nature stanowią mocny dowód na wagę tego osiągnięcia dla całej światowej nauki.
Na czym polega wyjątkowość tej fazy materii
W przeciwieństwie do dobrze nam znanych stanów skupienia, nowo odkryta faza należy do kategorii kwantowych faz poza równowagą. Te egzotyczne stany charakteryzują się dynamicznymi właściwościami zmieniającymi się w czasie w sposób, którego nie da się opisać klasycznymi metodami.
Systemy Floqueta to układy kwantowe okresowo napędzane w czasie, które mogą generować zupełnie nowe formy porządku niedostępne w warunkach równowagi. Można to porównać do rytmicznego „potrząsania” systemem kwantowym w celu ujawnienia jego ukrytych właściwości.
Zespół nie tylko odkrył nową fazę, ale także opracował nowatorski algorytm interferometryczny do badania jej struktury. Dzięki temu udało się zaobserwować dynamiczną transmutację anyonów – egzotycznych cząstek zachowujących się inaczej niż zwykłe elektrony czy protony.
Do najważniejszych cech odkrytej fazy należą topologicznie chronione chiralne mody brzegowe oraz nierównowagowy porządek topologiczny. W praktyce oznacza to, że na krawędziach układu pojawiają się charakterystyczne, ukierunkowane ruchy odporne na zewnętrzne zaburzenia.
Komputery kwantowe jako nowe narzędzia badawcze
Odkrycie wyraźnie pokazuje, że procesory kwantowe mogą służyć jako platformy eksperymentalne do badania wysoko splątanych faz materii poza równowagą. Klasyczne komputery po prostu nie radzą sobie z symulowaniem tak złożonych systemów kwantowych.
Chip Willow już wcześniej udowodnił swoje niezwykłe możliwości, wykonując w 2024 roku obliczenia w mniej niż pięć minut, które zajęłyby najszybszym superkomputerom 10 septylionów lat. Teraz okazuje się, że może być również wykorzystywany do fundamentalnych badań naukowych.
Symulacje przeprowadzone przez zespół wykazały, że entropia splątania rośnie superpolinomialnie wraz ze wzrostem liczby kubitów, co sprawia, że klasyczna symulacja większych systemów staje się praktycznie niemożliwa. To czyni procesory kwantowe niezastąpionymi narzędziami do odkrywania nowych stanów materii.
Chociaż entuzjazm jest uzasadniony, warto zachować pewien dystans. To dopiero początek długiej drogi do pełnego zrozumienia i praktycznego wykorzystania tych odkryć. Niemniej jednak, nie da się ukryć, że otwiera to nowy rozdział w fizyce kwantowej, gdzie komputery kwantowe stają się laboratoriami do badania dotychczas niezbadanego świata materii poza stanem równowagi. Kto wie, może kiedyś doprowadzi to do powstania zupełnie nowych materiałów lub zaawansowanych systemów obliczeniowych, choć na pewno nie stanie się to z dnia na dzień.