Ученые Оксфордского университета с помощью гибридного квантового компьютера воспроизвели эффект, при котором частица испытывает воздействие магнитного поля, не проходя через него. Для этого специалисты объединили кубиты — базовые элементы квантовой информации — с квантовыми осцилляторами, моделирующими колебательное движение. Результаты работы опубликованы в журнале Nature Physics и показывают, как такое сочетание помогает изучать взаимодействия материи и полей, которые все труднее воспроизводить на обычных компьютерах.
Еще в 1959 году физики Якир Ааронов и Дэвид Бом предсказали, что заряженная частица может реагировать на магнитный поток, даже если ее траектория полностью проходит вне области с магнитным полем. Вместо обычной магнитной силы частица испытывает изменение квантовой фазы — характеристики волнового поведения, влияющей на интерференцию различных возможных путей. Сама фаза напрямую не наблюдается, но ее различия дают измеримые эффекты. Это предсказание, получившее название эффекта Ааронова — Бома, позже подтвердили в опытах с реальными электронами.
Сегодня исследователи изучают это явление в более сложных теоретических системах — решеточных калибровочных теориях. В них пространство представляется в виде сетки, где материя находится в отдельных точках, а поля связаны с соединениями между ними. Такие модели важны для физики элементарных частиц и высоких энергий, однако с ростом сложности системы математические расчеты становятся крайне трудоемкими даже для мощных классических компьютеров. Квантовые компьютеры предлагают иной путь: вместо вычисления всех параметров системы ученые создают другую квантовую систему с теми же правилами и наблюдают за ее поведением напрямую.
Проект в Оксфорде стартовал в 2022 году. Ведущий автор доктор Себастьян Санер, доктор Оана Базаван и их коллеги совместно с доктором Алехандро Бермудесом из Института теоретической физики в Мадриде разработали способ моделирования решеточных калибровочных теорий на гибридной квантовой системе. Кубиты, закодированные во внутренних состояниях захваченных ионов — электрически заряженных атомов, удерживаемых электромагнитными полями, — представляли калибровочные поля. Квантовые осцилляторы, созданные колебаниями тех же ионов, играли роль материи. Из этих компонентов исследователи собрали простой контур — базовый элемент решеточной калибровочной теории: два осциллятора обозначали материю в двух точках, а два кубита — поля между ними.
Затем ученые перевели кубиты в запутанное квантовое состояние, которое в рамках модели представляло магнитный поток через центр контура. Изначально магнитный поток планировали задать как фиксированное фоновое условие, но для нужного взаимодействия не хватало возможностей аппаратуры. Кодирование потока непосредственно в кубитах стало практичной альтернативой и позволило сделать магнитный поток частью эволюционирующей квантовой системы, а не неизменным внешним влиянием. «Для нас захватывающим шагом было закодировать магнитный поток в калибровочном поле, которое само является динамическим, — говорит доктор Санер. — Вместо того чтобы материя эволюционировала в фиксированном фоне, материя и калибровочное поле становятся частью одной квантовой динамики».
Когда симуляцию запустили без магнитного потока, частица свободно туннелировала по контуру. С введением потока результат резко изменился: у частицы было два возможных пути, но магнитный поток сдвинул их относительные квантовые фазы, из-за чего пути стали интерферировать деструктивно и взаимно погасили друг друга. Туннелирование полностью подавило движение, и смоделированная частица застыла в исходном состоянии. Так эффект Ааронова — Бома проявился в решеточной калибровочной теории с динамическим полем. Одновременно с работой Оксфорда в Nature Physics вышло исследование группы Мэрилендского университета под руководством профессора Норберта Линке, где на похожей гибридной системе моделировали потенциал Юкавы. Обе работы, выполненные независимо, демонстрируют, что гибридные квантовые компьютеры могут стать ценным инструментом для изучения фундаментальных взаимодействий.