Учёные научились включать скрытые квантовые состояния для управления материей
Учёные из Японии предложили способ включать квантовые эффекты, которые ранее считались практически недоступными из-за так называемых тёмных мод — скрытых состояний в квантовых системах, не взаимодействующих с внешними сигналами. Работа исследователей из Центра квантовых вычислений RIKEN демонстрирует метод, позволяющий временно «осветить» такие моды и вернуть контроль над процессами, которые до этого блокировались.
В квантовой физике тёмные моды представляют собой скрытые колебательные или энергетические состояния, которые полностью отключены от внешнего воздействия. В отличие от них, яркие моды легко взаимодействуют с сигналами и могут быть использованы для управления системой. Проблема заключается в том, что наличие тёмных мод приводит к исчезновению важных эффектов: нарушается передача энергии, невозможны направленные процессы и прекращается управляемое взаимодействие между состояниями.
Исследование проводилось в рамках так называемых неэрмитовых квантовых систем — особого класса систем, которые обмениваются энергией с окружающей средой. Такие системы активно изучаются из-за способности демонстрировать топологические эффекты, устойчивые к небольшим изменениям параметров. Подобные свойства особенно важны для будущих квантовых технологий, где требуется стабильная передача информации на уровне фотонов и фононов — квантов света и колебаний.
В подобных системах возможно управление направленным движением частиц, например, когда фононы или фотоны вынуждены двигаться строго в одном направлении. Однако тёмные моды нарушают этот процесс, фактически блокируя преобразование и транспорт квантовых состояний. Как отметил один из авторов работы, физик Франко Нори, в таких условиях «топологические операции и направленный перенос фононов разрушаются и не восстанавливаются обычными методами настройки системы».
Решение, предложенное исследователями, оказалось нетривиальным. Вместо попыток устранить тёмные моды они разработали способ их перепрограммирования. В систему вводились специально сконструированные искусственные квантовые сигналы, которые изменяют взаимодействие между модами. В результате тёмные состояния временно превращаются в яркие, становясь доступными для управления.
После такого преобразования ранее недоступные квантовые эффекты восстанавливаются: фононы снова начинают двигаться контролируемо, а энергия между модами свободно перераспределяется. По словам одного из авторов исследования, постдока Дэн-Гао Лая, команда была удивлена устойчивостью эффекта, поскольку даже в условиях, где система должна была разрушиться, управляемые переходы сохранялись. Он отметил, что подобные инженерные переходы делают возможными топологические операции, которые ранее считались недостижимыми из-за тёмных мод.
Исследователи считают, что предложенный подход может стать основой для создания масштабируемых квантовых устройств и открытия новых топологических явлений в физике квантовых систем.
Результаты опубликованы в журнале Nature Communications.