Новое экзотическое состояние материи, возможность существования которого была обоснована теоретически более 50 лет назад, впервые в истории было получено в лабораторных условиях. Созданный исследователями из Гарвардского университета, этот материал называется квантовой спин-жидкостью, а его дальнейшее изучение и использование позволит создать ряд новых технологий, способных оказать большое влияние на дальнейшее развитие квантовых вычислений и коммуникаций.
Для того, чтобы какой-нибудь материал обладал магнитными свойствами требуется, чтобы вращение электронов атомов этого материала было выровнено в одном направлении. Несколько иные типы магнетизма могут наблюдаться, когда вращение электронов в материале чередуется, подобно клеткам шахматной доски, тем не менее, такие материалы все еще обладают экзотическими магнитными свойствами за счет упорядоченности спинов электронов.
В 1973 году американский физик Philip Anderson (Philip Anderson) выдвинул гипотезу о возможности существования состояния материи, называемого квантовой спин-жидкостью, которая не подчиняется описанным чуть выше правилам. Такая жидкость возникает при охлаждении материи до такого состояния, когда она еще не превращается в твердое тело и электроны не занимают строго заданное положение и, как следствие, не выравнивают свои спины в одном направлении. Вместо этого спины электронов находятся в постоянном движении, они все запутываются друг с другом, образуя очень сложное единое квантовое состояние.
Для создания квантовой спин-жидкости гарвардские исследователи использовали так называемый квантовый симулятор, что-то вроде примитивного квантового компьютера, ориентированного на решение только одной единственной задачи. Основу этого симулятора составляют 219 атомов, расположенных в узлах сетки оптической ловушки, созданной с помощью лазерных лучей. Кроме этого, при помощи света дополнительных лазеров можно управлять каждым из атомов, меняя направление спина его электрона.
Ученые расположили атомы в ловушке в виде решетки, в среде которой у каждого из атомов имеется два ближайших соседа. Пара электронов может стабилизироваться и выровнять значения их спинов, но присутствие электрона третьего соседнего атома разрушает баланс, создавая то, что ученые называют «разбитым магнитом», магнитом, который не в состоянии стабилизироваться самостоятельно.
И в результате все эти атомы сформировали некоторое количество квантовой спин-жидкости, обладающей несколькими полезными квантовыми свойствами. Первое, атомы жидкости находятся в запутанном состоянии, они могут влиять друг на друга даже на большом расстоянии, что можно использовать для осуществления телепортации квантовой информации. Вторым свойством является то, что все атомы жидкости находятся в состоянии суперпозиции, т.е. их электроны могут вращаться сразу в двух направлениях. Оба этих свойства являются основными «причудами» квантовой механики, которые используются сегодня для создания квантовых компьютеров.
«Сейчас мы работаем над тем, чтобы создать на основе полученной квантовой спин-жидкости первый топологический квантовый бит, кубит нового типа. Для этого, как минимум, нам потребуются технологии, позволяющие управлять, записывать и считывать информацию из таких кубитов» — пишут исследователи, — «Таким образом, после получения первых образцов жидкости перед нами открылось огромное поле для дальнейших исследований».
