Физики заставляют «невозможную» материю появляться на мгновение

Напряженность здесь кроется в хрупкости наших современных технологий. В настоящее время мы пытаемся создавать квантовые компьютеры, используя материалы, которые известны своим капризным характером. Если хотя бы одна блуждающая молекула тепла коснется квантового бита, или кубита, вся система разрушится. Создавая эти экзотические, зависящие от времени состояния, Пауэлл и его студент-исследователь Луи Бухалтер нашли способ сделать квантовые системы значительно более стабильными. Оказывается, если поддерживать материю в состоянии постоянного ритмического изменения, внешнему шуму становится сложнее ее дестабилизировать.

Эффект стробоскопа для квантового мира

Чтобы понять, чего добились Пауэлл и Бухалтер, нужно перестать воспринимать материю как нечто твердое и неподвижное. На квантовом уровне все является вибрацией. Обычно эти вибрации переходят в предсказуемое русло. Флоке-инженерия — это, по сути, процесс воздействия на материал «стробоскопом» энергии (в данном случае — переменным магнитным полем), чтобы заставить эти вибрации принять новый, экзотический паттерн. Это похоже на то, как если бы вы взяли кучу песка и начали вибрировать пол с такой точностью, что песчинки не просто лежали бы на месте, а зависли в форме собора.

Команда из Cal Poly использовала процесс, который они назвали «Flux-Switching Floquet Engineering» (флюкс-переключающая Флоке-инженерия). Это звучит как нечто из научно-фантастического фильма девяностых, но механика основана на математическом принципе организации, который отражает системы более высоких размерностей. Управляя системой с помощью синхронизированных магнитных переключений, они открыли квантовые фазы, которые являются «топологически защищенными». Простыми словами, это означает, что состояние материи фиксируется ее собственной геометрией. Вы не сможете легко его нарушить, потому что сама форма его существования предотвращает распад.

Для будущего вычислительной техники это колоссальный прорыв. Одним из главных препятствий на пути к функциональному квантовому компьютеру является «шум» — воздействие окружающей среды, вызывающее ошибки. Если мы сможем создавать кубиты из таких управляемых экзотических состояний, мы не просто сделаем их быстрее, мы сделаем их устойчивыми. Мы переходим от создания компьютеров из стекла к созданию их из армированной стали. Однако цена этого — энергия. Вы должны постоянно «подпитывать» систему, чтобы материя продолжала существовать. Как только вы прекращаете мерцание, фокус исчезает, и материя возвращается в свое скучное статичное состояние.

Почему в этом кристалле есть призрачные фотоны?

Квантовая спиновая жидкость — название отчасти неточное. Она не жидкая. Вместо этого «жидкость» относится к магнитным моментам — спинам — атомов внутри кристалла. В обычном магните, например, в том, что висит у вас на холодильнике, эти спины либо указывают в одном направлении, либо следуют четкому паттерну. В квантовой спиновой жидкости спины находятся в состоянии полного, хаотичного беспорядка даже при абсолютном нуле. Они «фрустрированы», что означает, что они никогда не могут найти удобное положение для стабилизации. Поскольку они постоянно движутся и запутаны, они создают «призрачные» частицы — возбуждения, которые ведут себя точно как свет, но существуют только внутри материала.

Можем ли мы действительно использовать материю, которая отказывается следовать правилам?

Общая черта между мерцающей материей в Cal Poly и призрачными фотонами в Rice — это полный отказ от классической физики. Мы вступаем в эру, когда мы больше не спрашиваем, чем *является* материал, а спрашиваем, что он *может делать*, если его довести до предела. Это касается и графена. Исследователи недавно наблюдали, как электроны в графене текут как жидкость практически без трения, нарушая фундаментальный закон физики, согласно которому электроны должны носиться вокруг, как отдельные шарики для пинбола. Вместо этого они двигаются как мед — если бы мед мог течь по трубе со скоростью света, нигде не застревая.

А еще есть квазикристаллы. В течение 40 лет мы пытались понять эти материалы, которые выглядят так, будто имеют паттерн, но на самом деле никогда не повторяются. Это мозаики квантового мира — красивые, сложные и кажущиеся невозможными. Ученые из Мичиганского университета наконец взломали код того, как они растут, показав, что они балансируют на грани порядка и хаоса. Подобно состояниям Флоке, квазикристаллы представляют собой промежуточное состояние, которого не должно существовать, обеспечивая мост между предсказуемым миром соляного кристалла и полной случайностью газа.

Промышленные последствия ошеломляют, но мы должны быть реалистами. В следующем году у нас не появятся смартфоны на базе Флоке. Иэн Пауэлл первым признает, что наиболее прямое применение это найдет в квантовом моделировании и исследованиях. Путь от лаборатории в Cal Poly до завода в Шэньчжэне долог и вымощен неудачными экспериментами. Но концептуальная стена сломана. Теперь мы знаем: если мы не можем найти нужный для конкретной технологии материал, мы, возможно, сможем просто «насильно» создать его, вибрируя с помощью магнитных полей.

Является ли будущее технологий просто удачно подобранной вибрацией?

Если вы читаете это в автобусе, скорее всего, вы держите в руках устройство из кремния, меди и пластика — материалов, которые мы изучили более века назад. Следующий скачок не будет просто улучшенной версией этих материалов. Это будет нечто, похожее на волшебство. Мы смотрим на мир, где наше «железо» управляется зависящими от времени полями, где наша энергия движется через кристаллы с помощью призрачных частиц, а наши компьютеры построены из состояний материи, которых технически не существует, когда питание выключено.

Есть определенная ирония в том, что чем больше мы узнаем о фундаментальных строительных блоках Вселенной, тем больше понимаем, как мало мы их использовали. Мы играли на пианино, используя только три клавиши. Флоке-инженерия и открытие трехмерных спиновых жидкостей — это как если бы кто-то наконец открыл крышку и показал нам остальные 85. Это грязно, это сложно, и это нарушает большинство правил, которые мы считали незыблемыми. Но, как заметил Луи Бухалтер после работы в лаборатории, исследования редко бывают прямолинейным процессом. Все дело в настойчивости и готовности посмотреть на магнитное поле и задаться вопросом: что будет, если нажать на переключатель быстрее, чем кто-либо считал возможным?

Следующее десятилетие физики будет посвящено не открытию новых элементов в конце периодической таблицы. Речь пойдет о странных, мерцающих, фрустрированных и лишенных трения состояниях, которые мы можем создавать в промежутках между ними. Мы больше не просто наблюдатели физического мира. Мы его редакторы, переписывающие код материи в реальном времени, один магнитный импульс за другим. Законы физики не изменились, но наша способность обходить их — безусловно. И в этом зазоре между тем, что есть, и тем, что может быть, сейчас зарождается следующая технологическая революция.