топологические квантовые вычисления

Квантовые системы, состоящие из множества частиц, — фундамент будущих квантовых компьютеров и защищённых коммуникационных сетей. Однако с ростом числа частиц экспоненциально растёт и сложность их описания: число возможных состояний системы увеличивается лавинообразно. Традиционный подход — полное измерение всех параметров — требует колоссальных временных затрат.

Квантовый мир полон сюрпризов: если поменять местами два электрона, их общая волновая функция лишь меняет знак, а если поменять местами два фотона — вообще ничего не происходит. Но есть частицы, которые при обмене местами ведут себя совсем иначе — как будто запоминают, что их переставили.

В мире квантовых частиц есть свои «интроверты» — энионы. Это квазичастицы, которые не похожи на привычные электроны или протоны: если двух таких «интровертов» поменять местами, они запоминают этот манёвр, словно оставляя невидимый след в квантовом состоянии системы.

Долгое время идентификация квантовых фаз напоминала допрос свидетеля: нужно было добраться до каждого уголка системы, чтобы выведать её тайну. В эпоху Ландау порядок связывали с нарушением симметрии и локальным параметром — всё как на ладони.

В квантовой физике есть теории, где всё подчиняется чётким пропорциям — как музыкальный ритм, который всегда возвращается к началу такта. Но существуют и «иррациональные» теории, где ритм ломается и предсказать следующий удар почти невозможно. Одна из таких — теория компактифицированного бозона: частица живёт на окружности, и её поведение зависит от радиуса этой окружности.

Свет, подобно невидимой реке, течёт в пространстве. Если на пути потока поставить препятствие, вода закручивается воронками — так и специально спроектированные поверхности порождают световые «водовороты», захватывающие наночастицы, словно щепки в водовороте.

Повар годами оттачивает умение сводить рецепт к трём-четырём сущностям и по ним воссоздавать блюдо. Если состав знаком, на тарелке ожидаемый обед. Чужеродный ингредиент нарушает компрессию, и получается не пойми что. Квантовый сжиматель действует так же с медицинскими снимками.

Учебники делят частицы на два лагеря: бозоны любят толпиться в одном состоянии, фермионы — категорически нет. Но природа допускает и третий вариант. Энионы — квазичастицы, чьё поведение лежит где-то посередине. Они могут «помнить» о том, как их меняли местами, и подчиняться нестандартному запрету на соседство.

Облачко атомов рубидия попадает в ловушку из света. Лазеры и магнитные поля выстраивают её наподобие кристаллической решётки, только ячейки здесь не доли миллиметра, а доли микрометра. Сами атомы охлаждены почти до абсолютного нуля: тепловое дрожание замирает, и они начинают вести себя не как россыпь шариков, а как единая квантовая жидкость.

Два игральных кубика всегда выпадают одинаково, как бы далеко их ни раскидали. В квантовой физике такое поведение называют запутанностью, и она — главный ресурс для компьютеров будущего и защищённой связи. Но беда в том, что не всякую запутанность легко заметить.

Две квантовые батареи стоят далеко друг от друга, но между ними — общее облако кубитов, словно натянутый холст. Алиса хочет зарядить батарею Боба, не прикасаясь к ней. Вместо прямого толчка она рисует на холсте узор — логический кубит, — тратя свою энергию. Затем она отправляет Бобу не сам рисунок, а список помарок: где холст просел или исказился.

Водитель крутит руль, чтобы машина повернула. В квантовом мире тоже есть свои «рули» — внешние параметры, которые плавно меняют, чтобы перегнать частицы из одного места в другое. Так устроен насос Таулеса: медленно изменяя условия, можно перекачать строго определённое число частиц, и это число защищено от помех самой геометрией процесса.

Длинная нитка бус ложится в крошечную шкатулку — одни бусины прижимаются друг к другу, другие расходятся подальше. Такую задачу решает белок, когда сворачивается в работающую молекулу. Только бусин — аминокислот — может быть сотни, и каждое их касание меняет всю конструкцию.

Ложка падает в чашку с горячим кофе, и по поверхности разбегаются круги. По ним видно, как быстро возмущение уходит от места падения. В квантовом мире физики ищут похожие «круги на воде» — как информация распространяется по цепочке атомов. Но есть загвоздка: чтобы измерить это движение, обычно нужно запустить время вспять, а это почти невозможно.

Квантовый компьютер — капризный инструмент. Каждое измерение его состояния похоже на фотографирование быстро движущегося объекта: чем короче выдержка, тем больше шансов получить смазанный кадр. Но если потом умело обработать серию таких снимков, можно восстановить чёткую картину. Именно так поступили исследователи.

В холодном облаке атомов, охлаждённом почти до абсолютного нуля, энергии могут вести себя как нити, которые сплетаются в косы. Эти косы — не просто красивый образ: их узор связан с топологией, разделом математики, изучающим свойства, сохраняющиеся при непрерывных деформациях.

Верёвка, сплетённая из сотни коротких нитей, может быть скручена вправо или влево. Каждая нить по отдельности не знает, куда закручена вся верёвка, но попробуйте её расплести — и разница сразу проявится. Примерно так устроены состояния, которые физики называют симметрийно-защищёнными: локально они неотличимы, а глобально — разные.

Если сжать пластинку с ячейками-гармошками, по ней побежит волна перегиба — как складка по ковру, когда его толкают ногой. Такие волны умеют переключать материал между двумя устойчивыми формами, и на этом строят механическую память. Но стоит на пути складки оказаться ножке стола, и она застревает. В новой работе показали, как сдвинуть её с места без грубой силы.

Квантовый компьютер плетёт из кубитов подобие нити, где каждый узел — частица, а связь между ними — переплетение. Когда физик измеряет кубит, нить меняется: где-то рвётся, где-то сшивается, а иногда на ней появляется закрутка. Авторы новой работы нашли точные правила этих превращений для самой простой цепочки — линейной, где кубиты выстроены в ряд.

Сверхпроводник — это материал, который при очень низкой температуре проводит электричество без потерь: электроны движутся, не расталкиваясь, как толпа, идущая по идеально ровному коридору. Но стоит включить сильное магнитное поле, и внутри сверхпроводника появляются вихри — крошечные области, где сверхпроводимость исчезает.

Квантовый компьютер напоминает слишком горячий чайник: частицы в нём носятся как попало, и нужно их успокоить, чтобы получить полезный ответ. В новой работе физики придумали, как охлаждать цепочку из 19 квантовых спинов (маленьких магнитиков) прямо на реальном устройстве.

Атомы, подобно нитям в искусной косе, подчиняются строгому правилу: если одна нить «заряжена» — возбуждена до высокоэнергетического состояния, — соседние обязаны молчать, оставаясь невозбуждёнными. Этот феномен — ридберговская блокада (эффект подавления одновременного возбуждения близких атомов) — позволяет сплетать устойчивые квантовые узоры, где каждый атом знает своё место.

Всё вещество, от звёзд до человека, сложено из частиц, которые в Стандартной модели — наиболее полной теории элементарных частиц и их взаимодействий делятся на два семейства: фермионы (кирпичики материи) и бозоны (переносчики сил).

В сердце сверхпроводника электроны сливаются в куперовские пары и движутся без сопротивления. Но если в этом идеальном порядке возникает вихрь — крошечная область, где сверхпроводимость исчезает, — там появляются особые возбуждения: боголюбовские квазичастицы.