Badanie nietrywialnej topologii przy krytyczności kwantowej na procesorze nadprzewodzącym

Dlaczego fluktuacje kwantowe mają znaczenie dla przyszłej technologii

Codzienne materiały, takie jak magnesy i nadprzewodniki, zawdzięczają swoje dziwne właściwości niezliczonym drobnym cząstkom kwantowym działającym wspólnie. Fizycy od dawna wykorzystują to zbiorowe zachowanie do klasyfikowania różnych „faz” materii, takich jak ciała stałe i ciecze, a także bardziej egzotycznych stanów, które przewodzą prąd jedynie na krawędziach. Ten artykuł bada szczególnie subtelny rodzaj fazy kwantowej, znajdującej się dokładnie w punkcie krytycznym między dwoma formami uporządkowania. Na dużym nadprzewodzącym procesorze kwantowym badacze pokazują, że nawet w tym delikatnym punkcie równowagi ukryte wzory organizacji przetrwają i mogą być wykorzystane jako zasób dla technologii kwantowych.

Nowy rodzaj uporządkowania w punkcie równowagi

Tradycyjnie fazy materii rozróżnia się po tym, czy pewna symetria układu zostaje złamana — na przykład gdy magnes wybiera preferowany kierunek. W ostatnich latach odkryto fazy „topologiczne”, w których istotna informacja nie jest przechowywana w lokalnych wzorcach, lecz w globalnych cechach stanu kwantowego i jego splątania. Uważa się zwykle, że te fazy polegają na istnieniu przerwy energetycznej, która chroni je przed zaburzeniami. Praca opisana w tym artykule kwestionuje tę intuicję, koncentrując się na modelu bez przerwy energetycznej w szczególnym punkcie krytycznym kwantowym, gdzie układ balansuje między zwykłą fazą z uporządkowaniem magnetycznym a fazą topologiczną. Teoria przewiduje, że pomimo braku przerwy, punkt ten zachowuje odporne cechy brzegowe, które odróżniają go od bardziej konwencjonalnego układu krytycznego.

Budowa pierścienia spinów kwantowych z 100 kubitów

Aby zbadać te delikatne efekty, zespół wykorzystał procesor nadprzewodzący typu flip-chip zawierający 125 kubitów, z których 100 skonfigurowano w jednowymiarowy pierścień. Każdym kubitem można sterować i odczytywać go indywidualnie, a pary sąsiadów łączyli regulowane sprzęgacze, które realizują precyzyjne bramki splątujące. Zamiast bezpośrednio konstruować pełne oddziaływania wielociałowe docelowego modelu, badacze przyjęli strategię wariacyjną: zaprojektowali zwarte sekwencje bramek kwantowych, których regulowane kąty obrotu optymalizowano na komputerze klasycznym dla małych układów. Wykorzystując jednorodną strukturę modelu, następnie ekstrapolowali ten przepis na znacznie większe pierścienie, przygotowując stany o niskiej energii, które dobrze aproksymują stan podstawowy i pierwszy stan wzbudzony w punkcie krytycznym, bez konieczności drobiazgowego dostrajania 100-kubitowego obwodu na samym urządzeniu.

Odczytywanie ukrytych wzorów splątania

Chociaż przygotowane stany mają bardzo niską energię, nie odzwierciedlają idealnie wszystkich subtelnych cech dalekozasięgowych idealnego nieskończonego układu. Aby ujawnić leżącą u podstaw strukturę, autorzy zastosowali technikę nazwaną tomografią Hamiltonianu splątania. Wielokrotnie mierzyli różne fragmenty pierścienia 100 kubitów w wielu starannie dobranych konfiguracjach, a następnie użyli optymalizacji klasycznej do zrekonstruowania efektywnego „Hamiltonianu splątania”, który opisuje, jak każdy segment jest kwantowo powiązany z resztą układu. Z tego zrekonstruowanego obiektu mogli obliczyć standardowe odciski palców krytycznego zachowania, takie jak to, jak korelacje między spinami słabną z odległością oraz jak entropia splątania bloku rośnie wraz z jego rozmiarem. Otrzymane liczby zgadzają się z teoretycznymi oczekiwaniami dla tej samej klasy uniwersalności co dobrze znany model Isinga, potwierdzając, że eksperyment rzeczywiście osiągnął zamierzony reżim krytyczny kwantowo.

Odkrywanie trybów przypominających krawędzie bez prawdziwych krawędzi

Najbardziej uderzające wyniki pochodzą z analizy spektrum splątania, które daje wnikliwszy obraz organizacji informacji kwantowej w podukładzie. Teoria przewiduje, że dla tego szczególnego modelu krytycznego spektrum splątania powinno wykazywać odporną dwukrotną degenerację związaną z wyłaniającymi się trybami brzegowymi, mimo że fizyczny układ jest zamkniętym pierścieniem bez rzeczywistych granic. Korzystając ze zrekonstruowanych macierzy gęstości, badacze obliczyli to spektrum dla segmentów o różnych długościach i zaobserwowali oczekiwaną strukturę parzystą w najniższych poziomach w całym zakresie. W miarę wzrostu długości segmentów wzór wyostrza się w układ podobny do wieży charakterystyczny dla teorii pola konforemnego, ujawniając głębokie powiązanie między krytycznym zachowaniem w objętości a cechami przypominającymi brzegi zakodowanymi wyłącznie w splątaniu.

Co to znaczy dla materii kwantowej i maszyn kwantowych

Mówiąc prościej, badanie pokazuje, że pewne rodzaje porządku topologicznego mogą przetrwać tuż na krawędzi przejścia fazowego, w układach pozbawionych zwykłej ochronnej przerwy energetycznej. Dzięki sprytnemu przygotowaniu dostępnych stanów o niskiej energii na hałaśliwym, lecz programowalnym procesorze kwantowym, a następnie użyciu rekonstrukcji opartej na splątaniu, aby „przejść przez” eksperymentalne niedoskonałości, autorzy dostarczają dowodu eksperymentalnego, że te stany krytyczne zawierają ukryte, przypominające brzegi tryby kwantowe. To sugeruje, że przyszłe symulatory kwantowe nie zawsze będą musiały osiągać idealne stany podstawowe, by ujawnić bogatą fizykę: starannie dobrane stany o niskiej energii w połączeniu z inteligentnymi narzędziami analitycznymi mogą już kodować istotne uniwersalne informacje o egzotycznych fazach kwantowych i ich przejściach.

Cytowanie: Tan, Z., Wang, K., Yang, S. et al. Exploring nontrivial topology at quantum criticality on a superconducting processor. Commun Phys 9, 136 (2026). https://doi.org/10.1038/s42005-026-02569-9

Słowa kluczowe: przejścia faz kwantowych, porządek topologiczny, spektrum splątania, kwity nadprzewodzące, symulacja kwantowa