Физици нарушиха основно правило на квантовия свят

Учени от Университета в Нанкин, Йейлския университет и няколко други институции са открили нов триизмерен топологичен фазов преход на материята, който може да съществува при температура, различна от нула. По-рано се смяташе, че такива състояния са възможни само при абсолютна нула, тъй като топлинните флуктуации разрушават подредбата им.

Топологичните фази на материята се характеризират с особен вид квантов ред, основан на заплитане на частиците на големи разстояния, и са устойчиви на локални смущения. В своята работа изследователите описват нов вид такъв ред – т.нар. фермионен торичен код. Той се характеризира с аномална симетрия от втори порядък, която не действа едновременно върху всички степени на свобода, а само върху затворените контури в системата, като реагира на броя на „контурните“ възбуждания.

Както обяснява старшият автор на изследването Тайлър Елисън, през последните години физиците се научиха да създават и контролират сложни квантови системи на различни платформи – от свръхпроводящи кюбити до фотонни технологии.

В реалните приложения обаче, тези системи не са изолирани от околната среда, подложени са на шум и грешки, а при ненулева температура са подложени и на топлинни колебания. Това означава, че вместо „чисти“ квантови състояния в тях има вероятностно разпределение на различни състояния.

Първоначално екипът изследва квантовите фази в „шумни“ системи, но неочаквано се натъква на нов клас подреждания, които могат да се запазят при ненулева температура. Преди това теоретичните аргументи сочеха, че това е невъзможно в две измерения и много малко вероятно в три. Преди това бяха известни примери само в четириизмерни модели, които не могат да се реализират на практика.

Откриването на фермионния торичен код дава първия реален пример за триизмерна квантова фаза, съществуваща в топлинно равновесие. В бъдеще учените планират да разработят методи за експерименталното ѝ реализиране, по-специално с помощта на масиви от неутрални атоми, както и да създадат прости диагностични инструменти, за да се уверят, че желаната фаза наистина е получена. Това ще открие пътя към изучаването на екзотични свойства на квантовите системи при ненулева температура и евентуално към нови технологии в областта на квантовите изчисления.