Ученым удалось впервые увидеть "вживую" квантовый фазовый переход - «Наука и технологии»

Группе ученых, возглавляемой Иоганнесом Финком (Johannes Fink) из австрийского института Науки и техники (Institute of Science and Technology Austria, IST Austria), впервые в истории науки удалось наблюдать экспериментальным путем за явлением фазового перехода первого порядка в рассеивающей квантовой системе. Фазовый переход - это то, с чем нам приходится достаточно часто сталкиваться в обычной жизни, к примеру, когда мы наблюдаем замерзание или таяние воды при переходе точки температуры в 0 градусов Цельсия. Фазовые переходы происходят и на квантовом уровне, но, несмотря на их важность для некоторых областей физики, квантовые фазовые переходы практически не изучены в настоящее время.

Одним из наглядных примеров квантового фазового перехода является так называемое нарушение фотонной блокады, явление, открытое всего около двух лет назад. Суть этого явления заключается в том, что один из фотонов, попавший в ловушку оптической впадины (оптического резонатора) препятствует попаданию туда других фотонов до тех пор пока этот фотон не покинет пределы впадины или не будет поглощен материалом. Однако, при увеличении потока стремящихся попасть во впадину фотонов выше определенного критического предела, явление фотонной блокады нарушается и состояние этой квантовой системы резко переходит от непрозрачного к прозрачному. Такой вид квантового фазового перехода наблюдался учеными неоднократно, однако ученым из Австрии впервые удалось определить и создать целый набор условий, при которых становится возможным изучение данного эффекта.

Во время фазового перехода непрерывное изменение значения какого-либо внешнего фактора, к примеру, температуры, может ускорить или замедлить переход системы от одного стабильного состояния к другому. Фазовые переходы первого порядка характеризуются одновременным сосуществованием двух стабильных фаз системы, такое становится возможным, когда один из контролируемых параметров системы находится в диапазоне, близком к критической точке, точке фазового перехода. Две фазы формируют некоторую промежуточную смешанную фазу, одни части системы уже совершили фазовый переход, а другие - еще нет. В качестве примера можно взять туже воду, находящуюся в стадии замерзания, в ее объеме присутствует и лед и жидкая вода, а общее состояние этой воды еще нельзя назвать ни жидким, ни кристаллическим.

Экспериментальная установка, использованная австрийскими учеными, состояла из сверхпроводящего чипа с микроволновым резонатором на его поверхности. Этот резонатор можно рассматривать и как оптическую впадину, и как квантовый бит, кубит. Чип был охлажден до температуры в 0.01 градуса Кельвина для того, чтобы в наблюдаемые процессы не вмешивались тепловые колебания. Внутрь впадины был направлен непрерывный поток микроволнового излучения, а специальный датчик регистрировал уровень прошедшего через резонатор сигнала. Было замечено, что при определенной интенсивности микроволнового излучения выходной сигнал начинал стохастически колебаться от 100-процентного к нулевому уровню, что говорит о наличии смешанной фазы системы в момент фазового перехода.

"Нам удалось впервые наблюдать случайное переключение между прозрачным и непрозрачным состоянием квантовой системы и все это происходило в полном соответствии с существующей теорией" - рассказывает Иоганнес Финк.

Несмотря на то, что эксперимент австрийских ученых имеет большее отношение к теоретической физике, квантовые фазовые переходы могут оказаться очень полезным явлением для создания элементов квантовой памяти и квантовых процессоров. При помощи этого явления можно будет обеспечить точное управление текущим состоянием квантовой системы, запись и считывание информации из квантовых битов и многое другое.