Новости

Физики доказали применимость теоремы квантовой физики при «неквантовых» температурах

Отечественные физики показали применимость одной из центральных теорем квантовой физики при «неквантовых» температурах. При абсолютном нуле (-273,15 по Цельсию) могут реализоваться далекие от классических законов эффекты, а их описание заметно упрощается. В жизни столь низких температур достичь невозможно, а потому требуется расширять имеющиеся фундаментальные подходы — что и сделали авторы статьи. Результаты работы, поддержанной грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в Physical Review A.

Квантовая физика в некоторой степени находится за гранью классических законов, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни. Именно она может дать человечеству сверхбыстрые устройства, очень точные средства измерения и безопасные пути передачи информации. Однако квантовые эффекты, как правило, требуют особых условий: лучшая температура для них — -273,15°С, или абсолютный нуль. Тогда могут существовать невообразимые вещи вроде квантового принципа суперпозиции и обусловленного им одновременно живого и мертвого кота Шредингера. Описание и предсказание процессов тоже упрощается, потому что можно использовать фундаментальные законы.

«Однако в силу третьего начала термодинамики абсолютный нуль недостижим — он является лишь полезной абстракцией. В реальной жизни температуры всегда конечны, и они могут полностью разрушить деликатные квантовые суперпозиции, лежащие в основе работы квантовых устройств. Поэтому контроль тонких процессов при конечной температуре является центральной задачей квантовых технологий», — рассказывает Олег Лычковский, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Сколковского института науки и технологий, Московского физико-технического института и Математического института имени В. А. Стеклова РАН.

Если изменятся внешние параметры, изменится и состояние системы. Его описывают при помощи оператора плотности, который в такой ситуации эволюционирует. Даже системы из относительно небольшого количества простейших квантовых элементов чрезвычайно сложны, равно как и описание их развития. Чтобы создавать устройства будущего важно эту «сложность» приручить, например, с помощью адиабатической эволюции: плавное изменение внешних параметров делает развитие квантового состояния более предсказуемым. Макс Борн и В. А. Фок сформулировали адиабатическую теорему, которая гарантирует, что на всех этапах своей эволюции квантовое состояние может оставаться близким к так называемому мгновенному собственному состоянию.

Проблема теоремы заключается в ее применимости к системам только в чистом состоянии, что предполагает и наличие абсолютного нуля, но не реальные конечные температуры. Сотрудники Сколтеха (Москва), Математического института имени В. А. Стеклова (Москва) и Московского физико-технического института (Долгопрудный) показали, как можно использовать адиабатическую теорему в случае систем с конечной температурой. Также они представили количественные условия, с заданной точностью обеспечивающие адиабатичность эволюции. Как демонстрируют эксперименты, адиабатическая динамика для некоторых типов систем при такой температуре оказывается устойчивее, чем при -273,15°С.

«Адиабатические протоколы приготовления квантовых состояний с заданными свойствами весьма разнообразны. Пожалуй, самый известный пример — адиабатический квантовый компьютер, работа которого целиком основана на адиабатической теореме. Устройство такого вида пытаются сконструировать в канадской компании D-Wave Systems Inc. Кроме того, адиабатическое приготовление состояний используется в качестве предварительного или вспомогательного шага и в других схемах квантовых вычислений, а также симуляций и измерений. Наши результаты помогут выбирать оптимальные режимы работы адиабатических протоколов с учетом конечности рабочей температуры квантовых устройств», — подводит итог Олег Лычковский.

Загрузка