
Группа колумбийских физиков, возглавляемая профессором Университета Майами, показала, что при квантовом фазовом переходе в системе, состоящей из большого числа частиц света и вещества, наиболее нетривиальные и сложные квантово-запутанные структуры возникают при среднем темпе процесса (то есть не слишком быстром и не слишком медленном). Препринт их теоретической работы доступен на сайте arxiv.org. Кратко о работе сообщается в пресс-релизе Университета Майами.Такое поведение авторы работы сравнивают с приготовлением овсянной каши на молоке. Её надо варить не слишком быстро и не слишком медленно, чтобы в итоге получить аппетитные комочки овсянки, а не нечто бесформенное.Квантовые фазовые переходы вызывают в последнее время повышенный интерес у учёных в связи с тем, что позволяют получать большие системы квантово-запутанных частиц, так необходимых для создания работающих квантовых компьютеров. Напомним, что фазовыми переходами в физике называют переходы вещества из одной термодинамической фазы в другую. Примерами могут служить, например, таяние льда при повышении температуры и его превращение в воду или переход проводника в сверхпроводящее состояние при понижении температуры. Отличием квантовых фазовых переходов является то, что они могут наблюдаться вблизи абсолютного нуля и без изменения температуры - достаточно менять связь между частицами в квантовой системе.В работе рассматривается система, состоящая из взаимосвязанных между собой частиц света и вещества - фотонов и кубитов. При изменении силы связи между ними в некоторый момент происходит качественное изменение состояния системы, которое и называется квантовым фазовым переходом. Этот переход всегда приводит к возникновению между частицами квантовой запутанности - не имеющей аналога в классической физике глубокой скрытой связи между квантовыми объектами. Наличие квантовой запутанности между кубитами является необходимым условием эффективной работы квантовых компьютеров.Ранее рассматривались два предельных случая квантового фазового перехода в такой системе - или очень медленный, так что в каждый момент времени система была практически неподвижной, или очень быстрый, почти мгновенный, когда наоборот система быстро перебрасывалась в другое состояние и не успевала за это время сильно измениться.В обоих этих случаях система демонстрировала довольно скудную динамику. И квантовая запутанность образовывалась не слишком хорошо. В новой работе учёные исследовали промежуточный режим, когда система меняется не слишком быстро и не слишком медленно - а ровно так, как, оказалось, надо. И обнаружили, что в этом случае система ведёт себя очень сложным образом, проявляя чрезвычайно богатое разнообразие образующихся структур. Замечательно, что в конечном итоге это приводило к возникновению большого количества квантово-запутанных частиц.Авторы также не исключают, что что-то подобное происходило с нашей Вселенной на самой заре её существования. Через доли секунды после рождения она также должна была пройти через квантовый фазовый переход и, возможно, тем фактом, что сейчас мы наблюдаем такую сложную и богатую систему галактик, звёзд и планет, мы обязаны именно тем, что сквозь тот переход Вселенная прошла ровно так, как надо, не быстрее и не медленнее. Пока это остаётся чистой спекуляцией, и теоретические предсказания ждёт проверка экспериментом. Благо его осуществление, как утверждают авторы, не представляет большого труда.Артем Коржиманов
