To kwantowa rewolucja. Komputery kwantowe obserwują łamanie symetrii w ekstremalnych warunkach

Spontaniczne łamanie symetrii to zjawisko, które odgrywa kluczową rolę w wielu działach fizyki — od fizyki cząstek elementarnych po kosmologię. Pomaga wyjaśnić, jak w pozornie uporządkowanych i symetrycznych układach powstają złożone struktury i nowe prawa zachowania. Choć teoretycznie dobrze opisane, bezpośrednie badanie SSB w ekstremalnych warunkach – zwłaszcza w temperaturze zbliżonej do zera absolutnego – jak dotąd pozostawało poza naszym zasięgiem. W takich warunkach materia zachowuje się w sposób kwantowy, przez co tradycyjne podejścia obliczeniowe okazują się niewystarczające.

To właśnie tutaj swoją przewagę pokazują komputery kwantowe. Dzięki zjawiskom splątania i superpozycji są one w stanie eksplorować wiele scenariuszy jednocześnie, co daje im ogromną przewagę nad klasycznymi komputerami, które analizują dane krok po kroku. Ta zdolność pozwala na symulowanie skrajnie złożonych zjawisk w znacznie krótszym czasie.

Czytaj także: IBM tworzy komputer kwantowy odporny na błędy. Na ten przełom czekaliśmy od lat!

W opisywanym tutaj eksperymencie zespół naukowców wykorzystał proces kwantowy zbudowany z siedmiu nadprzewodzących kubitów wykonanych z aluminium i niobu, schłodzonych do zaledwie jednego milikelwina powyżej zera absolutnego. Każdy ze znajdujących się w komputerze kubitów mógł oddziaływać jedynie z kubitami znajdującymi się w ich bezpośrednim otoczeniu. W ten sposób tworzył on swego rodzaju lokalnie sprzężony układ. Naukowcy zaprogramowali go w taki sposób, aby prześledzić ewolucję stanu układu w czasie – od klasycznego układu antyferromagnetycznego (gdzie sąsiednie kubity miały przeciwne spiny) do kwantowego stanu ferromagnetycznego, w którym wszystkie spiny się wyrównały i zostały ze sobą splątane.

Jak wskazują autorzy opracowania, to właśnie ten stan — uporządkowany, niesymetryczny i silnie splątany — stanowi wyraźny sygnał spontanicznego łamania symetrii. Jakby tego było mało, zjawisko to udało się niezależnie jednoznacznie potwierdzić za pomocą pomiarów entropii Rényiego — narzędzia służącego do oceny miary splątania między różnymi częściami układu.

Czytaj także: Mamy to! Rekord świata precyzji obliczeń kwantowych

Warto tutaj podkreślić, że choć wcześniejsze badania badały podobne przejścia fazowe, to jednak były one ograniczone do temperatur wyższych niż zero bezwzględne. Tym razem udało się przeprowadzić symulację i obserwację zjawiska wyłącznie w temperaturze zera absolutnego, nawet przy założeniu lokalnych interakcji pomiędzy kubitami.

Wszystko wskazuje zatem na to, że technologia kwantowa bezustannie się rozwija i pozwala nam przeprowadzać coraz bardziej fascynujące eksperymenty, które powoli będą rewolucjonizować koleje dziedziny nauki. Tym razem padło na prawdziwe badania podstawowe dotyczące natury otaczającej nas rzeczywistości. Można nawet powiedzieć, że skrajnie nieintuicyjne komputery kwantowe stanowią wrota do zjawisk, które dotychczas pozostawały dla nas niedostępne.