Mesin kuantum ini tampaknya bertentangan dengan keinginan alam semesta untuk gangguan.

Salah satu simulator kuantum pertama menunjukkan fenomena misterius: serangkaian atom yang secara berkala kembali ke keadaan teratur. Fisikawan balap sedang mencoba menjelaskan apa yang terjadi.

Es krim yang meleleh tidak mengalami pembekuan spontan. Namun, salah satu simulator kuantum terus-menerus kembali ke keadaan tertata setelah sistem mencapai kesetimbangan.

Cukup waktu akan berlalu, dan bahkan di ruangan yang paling rapi pun akan berantakan. Pakaian, buku, dan kertas akan meninggalkan keadaan teratur dan tersebar di lantai. Dan, yang menjengkelkan, kecenderungan terhadap kekacauan ini mencerminkan hukum alam: gangguan cenderung tumbuh.

Jika, misalnya, Anda membuka balon penyelam di bawah tekanan, molekul udara di dalamnya akan terbang keluar dan tersebar di sekitar ruangan. Tempatkan es batu dalam air panas, dan molekul air yang dibekukan dalam kisi kristal yang dipesan akan memutuskan ikatan dan bubar. Ketika dicampur dan didistribusikan, sistem cenderung untuk menyeimbangkan dengan lingkungan, yang disebut termalisasi.

Ini adalah efek umum dan intuitif yang diharapkan oleh fisikawan untuk meluruskan 51 atom rubidium berturut-turut dan menahan mereka di tempat dengan laser. Atom dimulai dengan struktur yang teratur, dan beralih antara keadaan "tanah" dengan energi minimal dan keadaan tereksitasi. Para peneliti telah menyarankan bahwa sistem ini dengan cepat menjadi panas: pergantian tanah dan keadaan tereksitasi akan segera mereda dalam bentuk beberapa urutan acak.

Pada awalnya, urutannya memang berantakan. Tapi kemudian, yang mengejutkan para ilmuwan, mereka kembali ke urutan bergantian aslinya. Setelah pencampuran tambahan, atom-atom kembali ke konfigurasi aslinya. Keadaan bergantian bolak-balik dengan frekuensi beberapa kali per mikrodetik - lama setelah sistem harus dipanaskan.

Itu semua tampak seperti Anda menjatuhkan es batu ke dalam air panas, dan itu tidak hanya meleleh, kata Mikhail Lukin , seorang ahli fisika di Universitas Harvard dan pemimpin sekelompok ilmuwan. "Kami melihat es mencair dan kemudian mengkristal, lalu meleleh, dan mengkristal lagi," katanya. "Ini adalah sesuatu yang sangat tidak biasa."

Fisikawan menyebut perilaku aneh ini sebagai "parut kuantum multi-partikel." Atom, tampaknya, memiliki jejak masa lalu, seolah-olah semacam bekas luka, yang membuat mereka kembali ke konfigurasi semula berulang kali.

Dalam 16 bulan sejak publikasi karya di jurnal Nature, beberapa kelompok fisikawan mencoba memahami sifat dari bekas luka kuantum ini. Beberapa percaya bahwa penemuan ini dapat membuka kategori baru interaksi dan perilaku partikel kuantum, menyangkal asumsi fisikawan bahwa sistem seperti itu bergerak menuju termalisasi. Selain itu, efek jaringan parut dapat mengarah pada penciptaan tipe baru bit kuantum penyimpanan jangka panjang, yang merupakan bahan utama komputer kuantum masa depan.

Mengatasi probabilitas nol

Fisikawan, pada kenyataannya, ketika membangun sistem 51 atom, mereka ada dalam perhitungan kuantum pikiran. Sistem ini dipahami sebagai simulator kuantum, sebuah mesin yang dirancang untuk mensimulasikan proses kuantum yang tidak dapat diselidiki dengan metode lain menggunakan komputer klasik. Pada suatu waktu, sistem ini adalah simulator kuantum terbesar dari semua.

Atom-atom dari mesin Harvard berfungsi sebagai qubit, dan negara mereka, dasar atau bersemangat, disebut negara Rydberg . Peneliti dapat menyesuaikan sistem dengan mengubah, misalnya, kekuatan interaksi atom satu sama lain.

Para peneliti telah menyiapkan beberapa urutan awal tanah dan keadaan tereksitasi atom. Karena atom-atom berinteraksi secara aktif satu sama lain, mereka harus menuju ke termalisasi. Tetapi bukannya interaksi yang menyerupai molekul dalam gas, atom dalam sistem kuantum semacam itu menghasilkan semacam ikatan kuantum yang dalam, yang dikenal sebagai keterjeratan. "Dan kemudian kebingungan menyebar," kata Lukin. "Begitulah termalisasi terjadi."


Mikhail Lukin

Dan biasanya kompleksitas dalam simulator bertambah. Namun, ketika para peneliti meluncurkan percobaan, mengatur atom dalam urutan keadaan bolak dan tanah bergantian, partikel pertama kali menjadi terjerat, dan kemudian hilang, berosilasi bolak-balik dari konfigurasi asli.

Perilaku seperti itu tampaknya tidak mungkin, di ambang mustahil. Setelah atom mulai berinteraksi, urutan bolak-baliknya harus dilupakan dengan sangat cepat, karena atom dapat masuk ke sejumlah besar kemungkinan urutan keadaan tereksitasi dan tanah. Ini mirip dengan contoh dengan silinder, molekul udara yang meninggalkan konfigurasi asli dan merambat di sekitar ruangan. Untuk distribusi mereka, ada sejumlah besar tempat, sehingga kemungkinan mereka semua secara tidak sengaja terjepit kembali ke dalam wadah praktis nol.

"Sistem kuantum dapat ada di banyak negara yang memungkinkan sehingga akan sangat sulit baginya untuk kembali ke aslinya," kata Zlatko Papich , seorang ahli fisika di University of Leeds di Inggris.

Namun, Lukin mengatakan bahwa inilah yang telah mereka amati. Sistem ini diberkahi dengan beberapa jenis fisika khusus, yang memungkinkannya untuk kembali ke jalurnya sendiri, kata Papich. "Dia meninggalkan jejak remah roti, dan kembali ke awal jalan."

"Ini adalah penemuan nyata pertama yang dibuat dengan mesin kuantum," kata Lukin.

Lukin dan rekan-rekannya mulai menggambarkan eksperimen, tetapi sebelum publikasi karya, Lukin menggambarkannya di sebuah konferensi di Trieste Italia pada Juli 2017. "Kami tidak tahu bagaimana memahami ini," kata Papich, yang berada di antara hadirin pada hari itu. "Saya kira salah satu dari mereka yang hadir tidak memiliki ide untuk menjelaskan alasannya."

Bekas luka di stadion

Namun, segera, Papich dan rekannya menyadari bahwa perilaku seperti itu menyerupai fenomena yang ditemukan sekitar 30 tahun yang lalu. Pada 1980-an, fisikawan Eric Geller dari Harvard mempelajari kekacauan kuantum: apa yang akan terjadi jika mekanika kuantum diterapkan pada sistem kacau? Secara khusus, Geller memeriksa pantulan bola di dalam " Stadion Bunimovich " - sebuah meja persegi panjang dengan sudut bulat. Sistemnya kacau; untuk waktu yang cukup lama, bola akan melewati semua lintasan yang mungkin di dalam stadion . Tetapi jika Anda meluncurkan bola pada sudut tertentu, itu akan selamanya mengikuti jalur yang sama.

Dalam eksperimen pemikiran, Geller mengganti bola dengan partikel kuantum. "Harapan naifnya adalah jika sistem klasik kita sudah kacau," kata Papich, kemudian setelah menambahkan aturan mekanika kuantum, "orang seharusnya mengharapkan perilaku yang lebih kacau." Fungsi gelombang suatu partikel - paket matematis abstrak dari sifat-sifat kuantumnya - harus dioleskan di sekitar stadion, saat gelombang merambat melalui kolam. Probabilitas menemukan partikel di tempat tertentu di stadion harus sama untuk semua poinnya.


Sebuah partikel yang ditempatkan di stadion Bunimovich dapat menunjukkan bekas luka, lintasan di mana probabilitas pendeteksiannya tinggi

Namun, Geller menemukan bahwa fungsi gelombang tidak menyebar secara merata, tetapi terakumulasi di jalur yang mengulangi lintasan contoh klasik, di mana bola bergerak tanpa henti. Seolah ombak menghasilkan memori lintasan khusus ini. "Ini seperti jalan pulang bagi ombak," kata Geller. "Mereka ingin kembali ke tempat kelahiran mereka." Sangat sederhana. "

Berada di lintasan ini, fungsi gelombang partikel secara konstruktif mengganggu dirinya sendiri, menambahkan puncak ke puncak, dan mencelupkan ke dip. Akibatnya, partikel tersebut kemungkinan besar berada di suatu tempat di sepanjang jalan. Pada grafik, distribusi probabilitas menyerupai versi kabur dari lintasan periodik klasik. "Mereka tampak seperti bekas luka bagiku," kata Geller. Karena itu, dalam karyanya pada 1984, ia memanggil mereka itu.

Mungkin fenomena serupa dapat dijelaskan oleh fakta bahwa sistem 51 atom kembali ke konfigurasi aslinya, pikir Papich. Mungkin dia juga merindukan rumahnya.

Bekas luka meninggalkan sayatan

Untuk mengetahuinya, Papich dan rekannya menganalisis keadaan kuantum dari model sistem 51-atom. Mereka menemukan bahwa perilaku osilasi anehnya benar-benar menyerupai bekas luka kuantum Geller. Mereka mengidentifikasi kondisi yang menyerupai kasus-kasus khusus yang sesuai dengan lintasan bekas luka. Dengan secara berkala kembali ke kondisi ini, sistem dapat menghindari termalisasi. Hubungan dengan jaringan parut kuantum cukup kuat sehingga dalam karya tahun terakhir mereka yang diterbitkan dalam jurnal Nature Physics, mereka menyebut fenomena ini "jaringan parut kuantum multipartikel".

Terlepas dari skeptisisme awal yang disebabkan oleh analisis Papich, Lukin, serta Wen Wei Ho , seorang ahli fisika Harvard dan lainnya, membangun hubungan yang lebih kuat dengan jaringan parut kuantum dalam sebuah makalah yang diterbitkan pada bulan Januari. Mereka menentukan cara klasik untuk menggambarkan keadaan sistem atom-51 sebagai titik dalam ruang abstrak. Dengan perubahan kondisi sistem, suatu titik bergerak di ruang angkasa. Para peneliti menemukan bahwa ketika sistem mengalami getaran anehnya sendiri, titik itu berayun bolak-balik seperti bola pada lintasan periodik khusus yang diletakkan di sepanjang meja biliar stadion.


Pengaturan eksperimental di mana peneliti membuat simulator kuantum

Menemukan analogi klasik, para peneliti memperkuat klaim bahwa fenomena partikel Heller tunggal berlaku untuk sistem banyak-partikel. "Orang-orang ini jelas menemukan sesuatu," kata Geller. "Pasti."

Satu hal yang jelas - eksperimen ini membangkitkan minat para peneliti dari seluruh dunia. Satu kelompok dari California Institute of Technology telah mengidentifikasi ekspresi matematika untuk beberapa keadaan khusus dari sistem 51-atom. Lain, dari Princeton, menyarankan bahwa bekas luka bisa menjadi bagian dari fenomena yang lebih umum yang berlaku di berbagai bidang fisika benda terkondensasi. "Kami pikir kami tampaknya memahami apa yang terjadi dalam sistem ini," kata Ho. "Namun, kami masih belum memiliki metode umum untuk mencari lintasan-bekas luka lainnya."

Masih ada pertanyaan yang lebih dalam. "Bekas luka adalah deskripsi yang berguna tentang masalah ini," kata Vedika Kemani , seorang ahli fisika Harvard yang tidak terlibat dalam percobaan. "Tapi saya tidak berpikir bahwa kita memiliki pemahaman nyata tentang apa yang mengarah pada penampilan mereka."

Struktur dalam keacakan

Terlepas dari semua yang tidak diketahui ini, banyak jaringan parut partikel sangat menarik bagi fisikawan, karena dapat mewakili kelas baru dari sistem kuantum.

Selama beberapa tahun terakhir, fisikawan telah mempelajari kelas lain yang serupa, lokalisasi multi-partikel, di mana cacat acak mencegah termalisasi sistem. Sebagai analogi, bayangkan kawanan sapi berjalan di tanah datar. Sapi akhirnya harus tersebar di tempat yang berbeda - sebut saja itu sapi termalisasi. Tetapi jika bukit acak bertemu di lapangan, sapi akan berakhir di dataran rendah.

Demikian pula, sistem parut kuantum banyak partikel bukanlah sistem kacau yang berusaha untuk memanaskan. Tapi tidak ada bukit di dalamnya juga. "Karya ini berbicara tentang keberadaan kelas baru dari sistem yang terletak di suatu tempat di antaranya," kata Papich.

Untuk menjelaskan efek jaringan parut, sebuah analisis baru oleh Kemani menunjukkan bahwa sistem 51-atom dapat menjadi sistem yang dapat diintegrasikan (atau mendekati satu). Ini adalah kasus khusus dan terisolasi dari sistem dengan banyak keterbatasan dan fitur yang disesuaikan untuk mencegah termalnya. Jadi, jika sistem parut dapat diintegrasikan, itu mungkin berubah menjadi kasus unik dalam kelas fenomena yang lebih luas.

Fisikawan telah mempelajari sistem yang dapat diintegrasikan selama beberapa dekade, dan jika sistem tersebut ternyata dapat diintegrasikan, kata Papich, maka konsekuensi dari fakta ini tidak akan semenarik jika sistem kuantum ini akan menjadi unik. Papich, Ho, dan Lukin menulis makalah yang membantah kemungkinan ini.

Tetapi terlepas dari apakah jaringan parut ternyata menjadi kelas baru perilaku kuantum, penemuan ini menunjukkan kemungkinan yang menggoda untuk meningkatkan komputer kuantum. Salah satu masalah menciptakan komputer kuantum adalah kebutuhan untuk melindungi qubitnya yang rapuh. Gangguan atau gangguan apa pun dari lingkungan dapat menyebabkan qubit memanaskan dan menghapus informasi yang tersimpan di dalamnya, yang akan membuat komputer tidak berguna. "Jika kita dapat menemukan cara umum untuk memperkenalkan jaringan parut ke dalam sistem lain, kita mungkin dapat melindungi informasi kuantum untuk waktu yang lama," kata Ho.

Bekas luka kemudian dapat memberikan komputer cara untuk memegang data yang disimpan, melindungi masa lalu dari kekacauan yang terhapus dari termalisasi.

"Ada beberapa struktur yang indah, entah bagaimana dilestarikan dalam lingkungan yang sepenuhnya acak," kata Papich. - Fisika apa yang memungkinkan proses ini bekerja? "Ini adalah masalah yang mendalam dan beragam, mencakup banyak bidang fisika, dan efek ini adalah salah satu manifestasinya."