Колоссальный шаг: Физика преодолевает границы невозможного. Грядут революционные изменения в жизни людей

Об этом сообщает РИА Новости со ссылкой на комментарии ведущих исследователей, включая Алексея Рубцова, который назвал открытие «первой ласточкой» в развитии надежных квантовых устройств.

Квантовые технологии обещают революционные изменения в медицине, энергетике, криптографии и других сферах, однако их развитие сдерживается высокой чувствительностью кубитов к внешним воздействиям — явлению, известному как декогеренция. Даже минимальные колебания температуры или случайные фотонные взаимодействия разрушают квантовые состояния и вычисления рушатся, что требует экстремальных условий охлаждения и экранирования.

Новое исследование сосредоточено на топологических кубитах — квантовых единицах, информация в которых хранится не в состоянии отдельных частиц, а в геометрических свойствах системы. Как объясняет соавтор работы Сильке Бюлер-Пашен, топология в математике описывает устойчивые геометрические структуры, которые не меняются при небольших деформациях. Аналогично, топологические фазы вещества демонстрируют устойчивость к локальным возмущениям, что делает их перспективными для защиты квантовой информации. Это фундаментальное достижение может стать ключевым этапом на пути к практическому применению квантовых технологий и значительному ускорению научно-технического прогресса.

«Аналогичным образом можно описать состояния материи: скорость и энергия частиц — и даже ориентация их спина относительно направления движения — могут подчиняться определенным геометрическим правилам. Это особенно интересно, поскольку делает топологические свойства очень устойчивыми. Небольшие возмущения, такие как дефекты в материале, не изменяют эти свойства — точно так же, как небольшие деформации не могут превратить пончик в яблоко. Именно поэтому топологические эффекты представляют большой интерес для хранения квантовой информации. И теперь в сфере топологических материалов сделали важное открытие», — подчеркивается в статье.

Ученые обнаружили уникальное квантовое состояние вещества, объединяющее хаос и стабильность. Международная команда исследователей из Венского технического университета провела эксперимент с материалом CeRu₄Sn₆, состоящим из церия, рутения и олова, и выявила ранее неизвестное состояние материи, которое сочетает в себе квантовый хаос и геометрическую устойчивость. Ранее это считалось невозможным.

Вещество было охлаждено до экстремально низких температур, что привело его в критическое квантовое состояние, напоминающее фазовые переходы воды при замерзании или кипении. В этом режиме электроны проявляли сложное и хаотичное поведение, переходя между различными состояниями и взаимодействуя друг с другом таким образом, что привычные свойства отдельных частиц исчезали. Тем не менее, несмотря на внутренний хаос, материал сохранял топологическую стабильность — особое геометрическое состояние, которое защищает его от внешних воздействий.

Ранее топологические свойства и квантовая критичность изучались отдельно и на разных материалах, однако новое исследование впервые продемонстрировало их тесную взаимосвязь. Ключевым доказательством стала регистрация спонтанного эффекта Холла — отклонения электрического тока без внешнего магнитного поля, что является классическим признаком топологического материала. Наиболее сильный сигнал наблюдался именно в центре квантово-критического состояния, где квантовые флуктуации достигают максимума.

«Это фундаментальный прорыв, показывающий, что мощные квантовые эффекты могут объединяться, создавая нечто совершенно новое», — отмечает соавтор исследования Цимяо Си из Университета Райса (США).

Авторы подчеркивают, что топологические материалы обладают высокой устойчивостью к разрушению, а квантовая критичность усиливает запутанность частиц, что делает полученное гибридное состояние перспективным для управления квантовыми процессами. Это открытие может стать основой для разработки новых квантовых материалов с важным технологическим потенциалом.

Однако практическое применение пока остается далекой перспективой. Руководитель группы «Коррелированные квантовые системы» Российского квантового центра Алексей Рубцов называет это «первой ласточкой» в поиске подобных материалов. Он отмечает, что топологические материалы могут найти применение в создании высокочувствительных сенсоров и новых способов хранения и передачи квантовой информации, но до реальных технологий еще предстоит пройти долгий путь.

В России также ведутся активные теоретические и вычислительные исследования в этой области, и с недавним увеличением финансирования и государственной поддержки квантовых направлений ученые надеются на расширение экспериментальной базы и новые открытия в будущем.

«Нами были опубликованы несколько статей, которые получили одобрение научного сообщества. Мы тоже понимаем важность этой темы и активно ее развиваем», — добавил ученый.