W 1973 roku fizyk Philip W. Anderson przewidział teoretycznie istnienie nowego stanu skupienia materii. Nazwano go kwantową cieczą spinową. W takim materiale, niczym w cieczy, bezustannie poruszałyby się elektrony. Znajdowałyby się też w stanie tzw. kwantowego splątania. 

Kwantowe splątanie to stan, w którym cząsteczki są od siebie zależne. W przypadku dwóch cząstek przejawia się to tak, że pomiar cechy jednej z nich sprawia, że cecha drugiej cząstki przybiera wartość przeciwną. Zazwyczaj jest to cecha zwana spinem. Jeśli zmierzymy spin jednego z dwóch splątanych elektronów  i stwierdzimy, że jest skierowany w dół, spin drugiego natychmiast okaże się skierowany w górę. 

W kwantowej cieczy spinowej splątane są wszystkie tworzące ją elektrony. Prowadzi to do niezwykłych fizycznych własności takich materiałów. Był jednak jeden szkopuł. Nikt do tej pory przewidzianej przez Andersona cieczy kwantowej nie widział. 

Kwantowe ciecze spinowe pozwolą budować lepsze komputery kwantowe 

Teraz badacze z Harvardu, Cambrigde i MIT donoszą, że udało im się uzyskać taki niespotykany stan materii. Stworzenie kwantowej cieczy spinowej opisują w „Science Advances”. – Możemy ją dotykać i nią manipulować, co pozwala nam zrozumieć jej właściwości. To nowy stan materii, którego dotychczas nie widział żaden człowiek – prof. Mikhail Lukin, jeden z autorów pracy, nie kryje ekscytacji. 

Do czego konkretnie przyda się kwantowa ciecz spinowa? Fizycy mają nadzieję, że pozwoli im budować znacznie lepsze kubity – czyli elementy obliczeniowe kwantowych komputerów. Sprawi to, że będą znacznie bardziej stabilne i odporne na zakłócenia. Dzisiejsze kwantowe kubity są bowiem bardzo delikatne. Zniszczyć je może nawet promieniowanie cieplne. Z tego powodu są bezustannie chłodzone ciekłym azotem i izolowane od otoczenia. – To marzenie dla każdego w dziedzinie kwantowych obliczeń – potwierdza dr Giulia Semeghini, główna autorka pracy. 

Co najciekawsze, kwantową ciecz spinową uzyskano właśnie na… komputerze kwantowym. Zbudowany jest on bowiem z atomów, które są schłodzone do bardzo niskich temperatur. Ułatwia to fizykom manipulowanie takimi cząsteczkami. Jak wyjaśnia współautor pracy prof. Subir Sachdev, naukowcy mogą w tym przypadku badać pojedyncze atomy. Oddalać je na dowolne odległości i zmieniać częstotliwość światła lasera, który je wzbudza. Mogą też zmieniać parametry cząstek w sposób, którego nie da się robić w materiałach, w jakich próbowano wytworzyć kwantowe ciecze spinowe wcześniej.   

Bez jednego określonego kierunku

Na czym polega kwantowa ciecz spinowa wytworzona po raz pierwszy przez fizyków? Najłatwiej wyjaśnić to na przykładzie magnesów. W zwykłych magnesach, jakie znamy na przykład z lodówek, spiny elektronów ułożone są wszystkie w tym samym kierunku. W polu magnetycznym dzielą się na domeny – regularne obszary, w których spin jest ułożony na przemian w kierunkach przeciwnych (i dopiero takie ułożenie sprawia, że pole magnetyczne działa na magnes). 

W odpowiednio niskich temperaturach takie regularne ułożenie spinów zachodzi w każdym materiale. Każdy staje się więc magnetyczny. Ale nie kwantowa ciecz spinowa. Tam atomy tworzą trójki. Dwa spiny elektronów skierowane są w jednym kierunku, a trzeciego w przeciwnym. Ułożone w trójki spiny nie mogą pogrupować się w większe domeny. Nie mogą też w takim materiale przybrać jednego określonego kierunku. Bezustannie się poruszają – niczym w cieczy, stąd nazwa tego stanu materii

Jak stworzyć trwalsze kubity i komputery kwantowe 

Gdy fizycy już potwierdzili, że rzeczywiście udało im się stworzyć kwantową ciecz spinową, zabrali się do zbadania, czy można byłoby w niej tworzyć trwałe kubity. Przeprowadzili test, z którego wynika, że zasadniczo będzie to kiedyś możliwe.

Zbudowane z takich kubitów komputery kwantowe będą tzw. „topologicznymi komputerami kwantowymi”. Ich działanie opierać się będzie właśnie na właściwościach takich materiałów jak kwantowa ciecz spinowa. Kubity powstaną w nich nie z fizycznych cząstek, ale z kwazicząstek. Są to pewne wzbudzenia materiału (takie jak np. drgania w krysztale), które zachowują się jak cząstki.  

– Nasza praca to pierwsze kroki w wykazaniu, jak można zbudować topologiczne kubity. Nadal jednak musimy zbadać, jak takie kubity zaprogramować i jak nimi manipulować. Wiele jeszcze pozostaje do zbadania – mówi dr. Semeghini

 Źródła: Harvard UniversityScience Advances