Исследования в области квантовой физики позволяют предположить новые свойства/формы материи, такие как квантовая спиновая жидкость. В квантовых компьютерах взаимодействие между кубитами может быть изменено, что может порождать структуры с особыми свойствами. Однако исследователи надеются, что квантовые компьютеры помогут нам открыть новые формы материи, а также «раскрыть» такие свойства различных материалов как сверхпроводимость.
До сих пор теоретические исследования в области квантовой физики многих тел были сосредоточены на регулярных структурах с простой элементарной ячейкой, где только бесконечно малое число пар составляющих взаимодействуют напрямую. Рассматриваемые пространственные конфигурации демонстрируют локальное взаимодействие и высокую степень симметрии.
«Однако недавний экспериментальный прогресс показал, что квантовая физика многих тел необязательно должна ограничиваться такими геометриями«, — пишут авторы предварительного исследования, доступного на сайте . Например, в симуляторах Ридберга исследователи изучают отдельные атомы, которые очень сильно взаимодействуют друг с другом, и теперь эти атомы можно свободно размещать, используя оптический пинцет. Однако время моделирования этих экспериментов ограничено тем, что время жизни ридберговских атомов в среде комнатной температуры составляет в лучшем случае лишь несколько сотен микросекунд.
Интересно отметить, что квантовые компьютеры обладают особыми свойствами, которые позволяют им, например, манипулировать материей без ограничения локальности. Концепция локальности заключается в том, что на атомы и молекулы влияют их близкие соседи; именно так в природе, в ледяных материалах и в соли, встречаются решетчатые структуры.
Теория графов выявила особые геометрические структуры
В новом исследовании Джозеф Тиндалл (Оксфордский университет) и его коллеги стремились получить структуры, сильно отличающиеся от обычных твердых материалов. Для этого они создали математическую модель, описывающую системы квантовых частиц, которые могут свободно взаимодействовать с любыми другими частицами (не только со своими соседями).
«Мотивированные быстрым прогрессом в управлении парными взаимодействиями и геометрией в симуляторах многих тел, мы определяем судьбу спиновых систем многих тел на более общих произвольных графах«, — объясняют они. Широко используемая в математике и информатике, теория графов изучает абстрактные модели сетевых конструкций, соединяющих объекты. Короче говоря, он определяет, может ли данная система реально существовать, изучая ограничения систем, существующих в реальном мире. На самом деле, применение теории графов к квантовым системам таким образом является новшеством, которое может открыть новые типы систем и связности, которые обычно не встречаются в природе.
Результат: в рассматриваемой экспериментальной системе одни частицы взаимодействовали с другими, более изолированными частицами, обнаруживая особые геометрические структуры по сравнению с тем, что обычно встречается. Эти структуры даже изменили свои магнитные свойства особым образом. Пока неясно, как это свойство может проявиться в реальном мире, но квантовый компьютер, возможно, сможет создать эти нерегулярные структуры.
Исследователи надеются, что особые связи молекул приведут к таким явлениям, как сверхпроводимость — свойство некоторых материалов идеально проводить электрический ток, создавая сильные магнитные поля.
Эксперименты еще требуют доработки, чтобы понять, будут ли системы работать в реальном мире, например, с учетом того, как они могут меняться со временем. Более того, изученные структуры рассматривают только связи между частицами, но еще не понятие расстояния.