Одним из примеров фазового перехода на квантовом уровне является пробой фотонной блокады, который был обнаружен всего два года назад. Во время фотонной блокады фотон заполняет полость в оптической системе и предотвращает попадание других фотонов в ту же полость до тех пор, пока он не уйдет, тем самым блокируя поток фотонов. Но если поток фотонов увеличивается до критического уровня, предсказывается квантовый фазовый переход: фотонная блокада нарушается, и состояние системы меняется с непрозрачного на прозрачное.
Этот специфический фазовый переход теперь экспериментально наблюдался исследователями, которым впервые удалось выполнить очень специфические условия, необходимые для полного изучения этого эффекта.Во время фазового перехода непрерывная настройка внешнего параметра, например температуры, приводит к переходу между двумя устойчивыми установившимися состояниями с разными атрибутами. Фазовые переходы первого рода характеризуются сосуществованием двух стабильных фаз, когда управляющий параметр находится в определенном диапазоне, близком к критическому значению. Две фазы образуют смешанную фазу, в которой некоторые части завершили переход, а другие нет, как в стакане, в котором одновременно присутствуют лед и вода.
Экспериментальные результаты, которые Финк и его сотрудники опубликуют в журнале Physical Review X, дают представление о квантово-механической основе этого эффекта в микроскопической нульмерной системе.Их установка состояла из микрочипа со сверхпроводящим микроволновым резонатором, действующим как полость, и нескольких сверхпроводящих кубитов, действующих как атомы. Чип был охлажден до температуры, поразительно близкой к абсолютному нулю — 0,01 Кельвина — так что тепловые флуктуации не играли роли. Чтобы создать поток фотонов, исследователи затем отправили непрерывный микроволновый сигнал на вход резонатора на чипе.
На выходе они усиливали и измеряли передаваемый СВЧ-поток. Для определенных входных мощностей они обнаружили стохастическое переключение сигнала между нулевой передачей и полной передачей: ожидаемое сосуществование обеих фаз произошло. «Мы впервые наблюдали это случайное переключение между непрозрачным и прозрачным, и это согласуется с теоретическими предсказаниями», — говорит ведущий автор Йоханнес Финк из IST Austria.
Потенциальные будущие приложения — это элементы памяти, а также процессоры для квантового моделирования. «Наш эксперимент занял ровно 1,6 миллисекунды для любой заданной входной мощности. Соответствующее численное моделирование заняло пару дней на национальном суперкомпьютерном кластере. Это дает представление о том, почему эти системы могут быть полезны для квантового моделирования», — объясняет Финк.Йоханнес Финк приехал в IST Austria в 2016 году, чтобы создать свою рабочую группу по квантовым интегрированным устройствам.
Основная цель его группы — продвигать и интегрировать квантовые технологии для вычислений, связи и датчиков на основе микросхем.