Исследование нетривиальной топологии при квантовой критичности на сверхпроводящем процессоре

Почему квантовые флуктуации важны для технологий будущего

Обычные материалы, такие как магниты и сверхпроводники, обязаны своим странным свойствам бесчисленным крошечным квантовым частицам, действующим сообща. Физики давно используют это коллективное поведение для классификации различных «фаз» вещества — например, твердых тел и жидкостей, а также более экзотических состояний, которые проводят электричество только по краям. В этой статье рассматривается особенно тонкий тип квантовой фазы, находящейся на критической грани между двумя видами упорядоченности. На большом сверхпроводящем квантовом процессоре исследователи показывают, что даже в этой хрупкой точке равновесия сохраняются скрытые закономерности организации, которые потенциально можно использовать в квантовых технологиях.

Новый вид порядка на грани перехода

Традиционно фазы вещества различают по тому, нарушается ли какая‑то симметрия системы — например, когда магнит выбирает предпочтительное направление. В более поздних работах ученые обнаружили «топологические» фазы, где ключевая информация хранится не в локальных паттернах, а в глобальных особенностях квантового состояния и его запутанности. Обычно считалось, что такие фазы зависят от энергетической щели, защищающей их от возмущений. Работа, описанная в этой статье, оспаривает эту интуицию, сосредотачиваясь на модели, лишенной щели в особой квантовой критической точке, где система находится между обычной ферромагнитной упорядоченностью и топологической фазой. Теория предсказывает, что несмотря на отсутствие щели, эта критическая точка сохраняет устойчивые краевые характеристики, отличающие её от более привычной критической системы.

Создание кольца из 100 квантовых спинов

Чтобы исследовать эти тонкие эффекты, команда использует многослойный сверхпроводящий процессор с 125 кубитами, из которых 100 настроены в одноосное кольцо. Каждый кубит можно управлять и считывать индивидуально, а пары соседних кубитов связаны настраиваемыми коммутациями, реализующими точные запутывающие гейты. Вместо того чтобы напрямую реализовывать полные многочастичные взаимодействия искомой модели, исследователи применяют вариационный подход: они разрабатывают компактную последовательность квантовых гейтов с регулируемыми углами вращения, которые оптимизируются на классическом компьютере для небольших систем. Используя однородную структуру модели, затем они экстраполируют этот рецепт на значительно большие кольца, подготавливая низкоэнергетические квантовые состояния, которые близко приближают основное и первое возбужденное состояние в критической точке, не требуя тонкой настройки 100‑кубитного контура непосредственно на устройстве.

Считывание скрытых паттернов запутанности

Хотя подготовленные состояния обладают очень низкой энергией, они не полностью демонстрируют все тонкие дальнодействующие особенности идеальной бесконечной системы. Чтобы выявить лежащую в основе структуру, авторы применяют метод, называемый томографией гамильтониана запутанности. Они многократно измеряют разные сегменты 100‑кубитного кольца во множестве тщательно подобранных конфигураций, затем с помощью классической оптимизации реконструируют эффективный «гамильтониан запутанности», описывающий, как каждый сегмент квантово связан с остальной частью системы. По этому восстановленному объекту они вычисляют стандартные характеристики критического поведения, такие как то, как корреляции между спинами убывают с расстоянием, и как энтропия запутанности блока растет с его размером. Полученные числа согласуются с теоретическими ожиданиями для того же универсального класса, что и известная модель Изинга, подтверждая, что эксперимент действительно достиг задуманного квантового критического режима.

Обнаружение краеподобных мод без реальных краев

Наиболее впечатляющие результаты получены при изучении спектра запутанности — углубленного представления о том, как организована квантовая информация в подсистеме. Теория предсказывает, что для этой конкретной критической модели спектр запутанности будет демонстрировать устойчивую двукратную вырожденность, связанную с возникающими краевыми модами, хотя физическая система представляет собой замкнутое кольцо без реальных границ. Используя восстановленные матрицы плотности, исследователи вычисляют этот спектр для сегментов различной длины и наблюдают ожидаемую парную структуру в самых низких уровнях по всему диапазону. По мере увеличения сегментов структура упорядочивается в башнеподобную последовательность, характерную для конформных полевых теорий, раскрывая глубокую связь между объемным критическим поведением и краеподобными свойствами, закодированными исключительно в запутанности.

Что это значит для квантовых материалов и квантовых машин

Проще говоря, исследование показывает, что определенные виды топологического порядка могут сохраняться прямо на грани фазового перехода в системах без обычной защитной энергетической щели. Тщательно подготавливая доступные низкоэнергетические состояния на шумном, но программируемом квантовом процессоре и затем используя реконструкцию на основе запутанности, чтобы «прозреть» сквозь экспериментальные недостатки, авторы предоставляют экспериментальные доказательства того, что эти критические состояния содержат скрытые, краеподобные квантовые моды. Это означает, что будущим квантовым симуляторам не всегда понадобится достигать идеальных основний состояний, чтобы раскрыть богатую физику: тщательно выбранные низкоэнергетические состояния в сочетании с продуманными аналитическими инструментами могут уже содержать существенную универсальную информацию об экзотических квантовых фазах и их переходах.

Цитирование: 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

Ключевые слова: квантовые фазовые переходы, топологический порядок, спектр запутанности, сверхпроводящие кубиты, квантовое моделирование