Вечное кипение при абсолютном нуле. Учёные впервые заглянули внутрь самой странной материи во Вселенной

В мире физики существуют объекты, которые словно насмехаются над нашими привычными представлениями о порядке. Возьмём, к примеру, магнит. В нём всё просто и понятно: крошечные внутренние «компасы» (спины) атомов выстраиваются в одном направлении, создавая предсказуемое поле. Но что, если система не может «договориться»? Что, если она застывает в состоянии вечного, но при этом глубоко упорядоченного хаоса? Добро пожаловать в мир квантовой спиновой жидкости — одного из самых загадочных и желанных состояний материи.

Долгое время эта «жидкость» была лишь теоретической концепцией. Но не так давно экспериментаторы научились создавать её в лабораториях, используя экзотические решётки из сверхохлаждённых атомов. Однако создать — это полдела. Настоящая проблема — понять, что именно вы создали. Как заглянуть внутрь этой сложной системы и убедиться, что перед вами не просто случайный беспорядок, а та самая неуловимая спиновая жидкость? Недавно группа учёных из Швейцарии предложила элегантный способ это сделать, создав, по сути, сверхточного «цифрового двойника» для реального эксперимента.

Так что же такое спиновая жидкость?

Чтобы понять всю прелесть этой идеи, давайте на секунду отвлечёмся. Представьте себе обычный кристалл, где спины атомов могут быть направлены «вверх» или «вниз». В обычном магните при низкой температуре они все выстроятся в аккуратный узор — скажем, все смотрят вверх. Это состояние с низкой энергией, стабильное и понятное.

А теперь вообразите, что атомы расположены так (например, в треугольной решётке), что спины просто не могут прийти к согласию. Если два соседних спина направлены в противоположные стороны, третий сосед оказывается в «неловком» положении — как бы он ни повернулся, он всё равно будет конфликтовать с одним из соседей. Это явление называют «фрустрацией». Система не может найти единственно правильное, самое стабильное состояние. Вместо того чтобы застыть, спины продолжают коллективно колебаться в сложном, запутанном танце, даже при абсолютном нуле. Это и есть квантовая спиновая жидкость: не хаос, а состояние с огромным количеством скрытых квантовых связей, так называемой дальнодействующей запутанностью.

Именно эта запутанность делает спиновую жидкость «топологическим» состоянием. Её свойства определяются не локальными взаимодействиями пары-тройки соседних атомов, а глобальной структурой связей во всей системе. Это как узор на свитере: его ценность не в отдельной нитке, а в том, как все нити переплетены вместе.

Проблема цифрового двойника

Когда физики из Гарварда под руководством Михаила Лукина и его коллег в 2021 году впервые заявили, что наблюдали спиновую жидкость в решётке из ридберговских атомов, это стало сенсацией. Ридберговские атомы — это «раздутые» атомы, у которых один электрон выведен на очень далёкую орбиту. Они идеально подходят для таких экспериментов, потому что сильно взаимодействуют с соседями.

Но вот незадача. Эксперимент — это лишь снимок системы. А как доказать, что наблюдаемая картина — это именно то самое топологическое состояние, а не просто какой-то экзотический беспорядок? Нужна теория, а ещё лучше — точная компьютерная модель, которая бы в точности воспроизвела эксперимент и позволила «заглянуть под капот».

И тут возникает фундаментальная сложность. Описать квантовую систему из, скажем, 50 частиц — задача почти невыполнимая. Количество возможных состояний растёт экспоненциально (2 в 50-й степени), и ни один суперкомпьютер в мире не справится с таким объёмом данных. Поэтому учёные прибегают к хитрости: они не пытаются описать каждое состояние, а создают упрощённую модель, которая улавливает лишь ключевые параметры системы.

Как заметила Линда Маурон из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL), предыдущие численные модели делали слишком много допущений. Они не учитывали всех тонкостей реальной установки, из-за чего сравнение теории с экспериментом было, мягко говоря, не совсем честным.

Швейцарский ключ к квантовой запутанности

Команда из Лозанны пошла другим путём. Вместо того чтобы упрощать систему, они усовершенствовали сам метод моделирования. Их подход, основанный на вариационном методе Монте-Карло (t-VMC), обладает одним решающим преимуществом: он изначально «заточен» на работу с запутанностью.

«В нашем конкретном случае ключевым элементом было прямое кодирование корреляций в волновой функции», — объясняет Маурон. Проще говоря, их модель не просто пытается угадать состояние каждого отдельного спина, она сразу учится описывать сложные взаимосвязи между ними. Это позволяет с поразительной точностью моделировать даже большие системы, не прибегая к грубым аппроксимациям и допущениям о форме решётки или её размере. Их симуляция стала тем самым «цифровым двойником», который ведёт себя практически так же, как и реальные ридберговские атомы в лаборатории.

Увидеть невидимое: в чём главная польза?

И вот тут начинается самое интересное. Создав такую точную модель, учёные смогли вычислить то, что невозможно измерить в реальном эксперименте. Главным призом стала топологическая энтропия запутанности.

Звучит сложно, но суть проста. Эта величина — своего рода «сертификат подлинности» для топологического состояния. Если она имеет определённое ненулевое значение, значит, в системе действительно присутствует та самая глобальная, дальнодействующая запутанность, которая отличает спиновую жидкость от банального набора неупорядоченных спинов. Это как ДНК-тест для квантового состояния, дающий однозначный ответ.

Работа швейцарских физиков показала, что их метод позволяет надёжно рассчитать этот ключевой параметр. А это, в свою очередь, даёт экспериментаторам мощнейший инструмент для анализа своих данных. Теперь они могут не просто сказать: «Похоже, мы видим спиновую жидкость», а уверенно заявить: «Наша симуляция подтверждает, что наблюдаемое состояние обладает всеми признаками топологического порядка».

Зачем всё это нужно?

Исследования квантовых спиновых жидкостей — это не просто удовлетворение научного любопытства. Эти экзотические состояния материи лежат в основе одной из самых смелых идей в области квантовых технологий — создания топологического квантового компьютера.

В обычном квантовом компьютере информация (кубиты) очень уязвима к внешним шумам. Малейшее возмущение может разрушить хрупкое квантовое состояние и привести к ошибке. В топологическом же компьютере информация будет закодирована не в отдельных частицах, а в глобальных свойствах всей системы — в том самом «узоре на свитере». Чтобы разрушить такой кубит, нужно изменить состояние всей системы целиком, а не одной её частицы. Это делает его невероятно устойчивым к ошибкам.

Конечно, до создания такого устройства ещё очень далеко. Но работа, подобная исследованию команды из EPFL, — это важнейший шаг на этом пути. Прежде чем строить что-то сложное, нужно досконально понять материалы, из которых мы строим. И новый метод моделирования — это именно тот микроскоп, который позволил нам заглянуть в самое сердце квантового хаоса и впервые разглядеть в нём истинный порядок.