КОЛЛАЙДЕР ЧАСТИЦ ВНУТРИ КВАНТОВОГО КОМПЬЮТЕРА

Столкновения давно служат физике одним из главных инструментов для изучения внутреннего устройства материи. Квантовые симуляторы теперь позволяют проводить столкновения на квантовом оборудовании, где силу взаимодействий можно настраивать по желанию — от слабой до очень сильной.

В реальных материалах с сильно взаимодействующими электронами столкновения квазичастиц — коллективных возбуждений, ведущих себя как частицы, — определяют, как переносятся заряд и энергия. Однако изучают их обычно лишь косвенно, с помощью спектроскопии. Квантовый симулятор может создать отдельные квазичастицы, запустить их и наблюдать их столкновение в пространстве и времени.

Два противоположных снаряда

Чан Бин Барк, Мун Джип Пак и их коллеги из Университета Ханьян в Сеуле, Университета Аджу в Корее и Университета штата Огайо в США выбрали хрестоматийную модель взаимодействующих электронов — модель Ферми — Хаббарда. Электроны перескакивают с узла на узел вдоль цепочки, а два электрона на одном узле отталкиваются с энергией U. Когда на каждом узле ровно один электрон, цепочка становится так называемым моттовским изолятором.

На этом фоне заряд могут переносить возбуждения двух типов:

• дублон — узел с двумя электронами;
• холон — пустой узел.

Они ведут себя как частица и античастица. Столкновения одинаковых квазичастиц уже изучались; столкновение двух разных квазичастиц, каждая из которых приготовлена по отдельности, — нет.

Сборка коллайдера

Команда закодировала цепочку из 21 узла на 42 кубитах сверхпроводящего квантового процессора IBM ibm_boston — по два кубита на узел. С одной стороны поместили дублон, с другой — холон.

Чтобы запустить их, исследователи сначала ненадолго отключили перескоки к внешним краям, так что каждое возбуждение могло двигаться только к центру, — как стартовые ворота. Затем вернули все перескоки и дали двум пакетам встретиться около середины.

Запуск таких схем на нынешнем зашумлённом оборудовании потребовал аккуратности: лучшие кубиты отбирались по предварительным тестам, на каждую точку данных делалось 70 000 измерений, а для коррекции ошибок использовался тот факт, что полное число частиц должно оставаться постоянным. Всё сравнивалось с точным теоретическим решением модели, известным как анзац Бете, и с классическим компьютерным моделированием.

Пройти насквозь, отскочить или и то и другое

• При слабом отталкивании (U = 1) дублон и холон проходят друг сквозь друга и движутся дальше.
• При сильном отталкивании (U = 7) они отскакивают назад. Чтобы поменяться местами, им пришлось бы пройти через промежуточную конфигурацию, стоящую энергии U, поэтому они ведут себя как твёрдые шары.
• В обоих случаях они уходят так же быстро, как пришли: столкновение упругое.

Исследователи измерили вероятность прохождения для отталкивания от 1 до 8. Она следует точной теории без единого подогнанного параметра — по словам авторов, впервые для квазичастиц этой модели на квантовом оборудовании.

Наполовину насквозь, наполовину назад

При промежуточном отталкивании (U = 3,5) происходит необычное: после столкновения заряд почти исчезает. Раздельное измерение дублонов и холонов объясняет почему. Ни один не пропал — число дублонов не падает, — но каждый расплылся по обеим сторонам цепочки. Выходящее состояние выглядит как смесь «прошёл насквозь» и «отскочил» в сравнимых пропорциях.

Такая суперпозиция запутывает левую и правую половины цепочки. Команда обнаружила это без полной реконструкции квантового состояния — измеряя, насколько число частиц в левой половине флуктуирует от запуска к запуску. Флуктуация максимальна в промежуточном режиме.

В качестве контроля исследователи заменили холон вторым дублоном. Два одинаковых дублона не могут поменяться местами, и действительно, их столкновение выглядело почти одинаково при любом отталкивании, почти без флуктуаций.

Что ещё предстоит показать

Авторы осторожны: их измерения показывают, что оба исхода присутствуют, и в каких пропорциях, но не доказывают напрямую, что они находятся в когерентной суперпозиции. Эта интерпретация опирается на законы квантовой эволюции и на согласие с теорией. Подтвердить её мог бы интерференционный эксперимент, когда станут возможны более длинные симуляции, — за пределами изученного здесь временного окна даже классическое моделирование с трудом поспевает.