Faz geçişleri, buza donma gibi, dünyamızın tanıdık bir parçasıdır. Ancak kuantum sistemlerinde, Heisenberg belirsizliği gibi kuantum özellikleri merkezi bir rol oynayarak daha da dramatik davranabilirler. Ayrıca, sahte etkiler sistemlerin çevreye enerji kaybetmesine veya dağıtmasına neden olabilir. Olduklarında, bu “dağıtıcı faz geçişleri” (DPTS) kuantum sistemlerini yeni durumlara iter.
DPT’lerin farklı türleri veya “siparişleri” vardır. Birinci dereceden DPT’ler, bir anahtarı çevirerek devletler arasında ani atlamalara neden olmak gibidir. İkinci dereceden DPT’ler daha pürüzsüz ama yine de dönüştürücüdür, sistemin simetri olarak bilinen küresel özelliklerinden birini ince ama derin yollarla değiştirir.
DPT’ler, kuantum sistemlerinin denge dışı koşullarda nasıl davrandığını anlamanın anahtarıdır, burada termodinamiğe dayalı argümanların genellikle cevap verememesi. Saf merakın ötesinde, bunun daha sağlam kuantum bilgisayarlar ve sensörler oluşturmak için pratik sonuçları vardır. Örneğin, ikinci dereceden DPT’ler kuantum bilgi depolamasını geliştirebilirken, birinci dereceden DPT’ler sistem stabilitesi ve kontrolünün önemli mekanizmalarını ortaya çıkarır.
Teorik olarak, DPT’lerin, belirli güç hukuku ölçekleriyle meydana gelen yavaşlama ve bistabilite gibi belirli özellikler gösterdiği tahmin edilmiştir. Şimdiye kadar, onları gözlemlemek büyük bir bilimsel engel-özellikle ikinci dereceden olanlar.
Ama şimdi, bir araştırmacı ekip bunu yaptı. EPFL’de Profesör Pasquale Scarlino liderliğindeki, kontrol edilebilir kuantum özelliklerine sahip bir cihaz olan süper iletken bir Kerr rezonatörü geliştirdiler ve kuantum durumunu dikkatlice kontrol etmek ve farklı aşamalar arasında nasıl geçiş yaptığını incelemek için foton çiftleri gönderen iki fotonlu bir sürücü deneyimlemek için tasarladılar. Çalışma şurada yayınlandı Doğa İletişimi.
Sistematik olarak değişen parametrelerle, genlik ve sürüş genliği gibi, ekip sistemin bir kuantum durumundan diğerine geçişlerini inceleyebildi. Yaklaşım, hem birinci dereceden hem de ikinci dereceden bir DPT’yi gözlemlemelerine izin verdi.
Doğruluğu sağlamak için, deneyler mutlak sıfıra yakın sıcaklıklarda gerçekleştirildi ve arka plan gürültüsünü neredeyse hiçbir şeye düşürdü. Kerr rezonatörü çok önemliydi çünkü genellikle gözlemlemeyecek kadar ince kuantum etkilerini yükseltebilir. İki foton sinyallerine aşırı hassasiyetle yanıt verebileceğinden, araştırmacılar bunu eşi görülmemiş bir hassasiyetle faz geçişlerini keşfetmek için kullanabildiler-geleneksel kurulumların başaramayacağı bir şey.
Kurulum, ekibin rezonatör tarafından yayılan fotonların davranışını ultra duyarlı dedektörlerle izlemesine izin verdi. Karmaşık kuantum süreçlerini modelleyen bir araç olan Liouvillian süperoperatörünün spektral özellikleriyle bağlantı gibi gelişmiş matematiksel teknikler kullanarak bilim adamları sistemin faz geçişlerini tam olarak izleyebildiler ve analiz edebildiler.
İkinci dereceden DPT için ekip, kuantum dalgalanmalarının boş alanın doğal arka plan gürültüsünden daha düşük seviyelere düştüğü “sıkma” adı verilen bir fenomen gözlemledi ve sistemin son derece hassas ve dönüştürücü bir duruma ulaştığını gösterdi. Bu arada, birinci dereceden DPT, parametrelerin nasıl ayarlandığına bağlı olarak sistemin iki durumda bulunabileceği farklı histerezis döngüleri gösterdi.
İkincisi, birinci dereceden DPT sırasında, sistemin aniden diğerine geçmeden önce istikrarlı bir durumda kaldığı metastabil durumların açık kanıtlarını buldular. Sistemin durumunun histerezis olarak bilinen önceki tarihine bağımlı olmasına yol açan bu davranış, birinci dereceden DPT’lerin rakip aşamaları nasıl içerdiğini sergilemektedir.
Son olarak, her iki geçiş türünde “kritik yavaşlama” gözlemlediler ve teorik değerlendirmeden elde edilen beklenen ölçeklemeyi yeniden ürettiler. Bu sonuçta yazarlar tarafından kullanılan Liouvillian teorisine dayanan teorik tahminlerin geçerliliğini gösterir. Kritik noktaların yakınında, sistemin yanıtı önemli ölçüde yavaşladı ve daha hassas kuantum ölçümleri için kullanılabilecek faz geçişlerinin evrensel bir özelliğini vurguladı.
DPT’leri anlamak, hem kararlı hem de duyarlı mühendislik kuantum sistemleri için yeni olanaklar açar. Bu, kuantum hesaplamada hata düzeltmesi veya ultra hassas kuantum sensörlerinin geliştirilmesi gibi kuantum bilgi teknolojilerinde devrim yaratabilir.
Daha geniş bir şekilde, bu araştırma disiplinlerarası işbirliğinin gücünü sergiliyor-deneysel fizik, ileri teorik modeller ve bilimin sınırlarını keşfetmek için en yeni mühendislik.
Makalenin ilk yazarı Guillaume Beaulieu, “Aslında, bu çalışmanın çok ilginç bir yönü, teori ve deney arasındaki işbirliğinin her iki grubun da bağımsız olarak başarabileceğinden çok daha fazla sonuçlara yol açabileceğini göstermesidir.” Diyor.
