В квантовом хаосе обнаружили «острова», где порядок неожиданно возвращается

Квантовая система из множества взаимодействующих частиц обычно быстро забывает своё прошлое. Даже если вначале расположить её компоненты строго определённым образом, взаимодействия перемешивают информацию, возникает запутанность, а первоначально понятная картина растворяется в сложной динамике. Но физики обнаружили внутри этого хаоса неожиданное исключение: существуют целые области, где квантовое движение способно оставаться регулярным и повторяться.

Исследователи из Чжэцзянского университета и Университета Лидса продемонстрировали такое поведение на сверхпроводящем квантовом процессоре. Они использовали систему из 24 взаимодействующих кубитов и при помощи гибридной обратной связи обнаружили устойчивую повторяющуюся динамику, которую заранее системе не задавали.

Чтобы понять значение результата, полезно вспомнить классическую механику. Представим маятник или планету. Их состояние можно описать положением и скоростью, а возможные комбинации этих величин представить в так называемом фазовом пространстве. В нём регулярное и хаотическое движение иногда образуют совершенно разные области.

Возникает удивительный ландшафт: огромное «море» хаотических траекторий может окружать небольшие острова устойчивого движения. Если система оказывается внутри такого острова, её эволюция остаётся сравнительно регулярной. Подобные структуры хорошо известны классической динамике, но увидеть их аналог в сложной квантовой многочастичной системе значительно труднее.

Главная причина — запутанность. Состояние двух запутанных квантовых объектов нельзя полностью описать как сумму независимых состояний каждого из них. Когда взаимодействуют десятки кубитов, количество возможных конфигураций растёт чрезвычайно быстро, а обычная наглядная картина фазового пространства практически исчезает.

Исследователи нашли обходной путь. Квантовый процессор работал совместно с обычным компьютером в повторяющемся цикле. Сначала на процессоре подготавливали определённое состояние, позволяли системе некоторое время эволюционировать и выполняли измерения.

После этого классический компьютер анализировал результат и находил сравнительно простое квантовое состояние, максимально похожее на полученное. Его снова загружали в квантовый процессор, запускали короткую эволюцию и вновь измеряли. Процедура повторялась многократно.

Получился своеобразный поиск с обратной связью. Алгоритму не сообщали заранее, какой именно регулярный режим следует найти. Он начинал с нерегулярного движения и постепенно направлял систему к состояниям, динамика которых повторяется.

Это напоминает поиски устойчивого водоворота в бурной реке. Вместо попытки заранее вычислить движение каждой капли исследователь наблюдает за потоком, немного меняет исходные условия и повторяет эксперимент, пока не обнаружит область, где движение неожиданно становится устойчивым.

Метод связан с более ранними исследованиями квантовых многочастичных шрамов. Несколько лет назад та же научная группа показала, что специально подготовленные состояния сверхпроводящего процессора способны периодически возвращаться к конфигурации, похожей на исходную, вместо быстрого растворения в хаотической динамике.

Название «квантовый шрам» связано с тем, что такие состояния оставляют необычный след внутри системы, которая в целом должна вести себя хаотически. Они нарушают простую картину, согласно которой взаимодействующая многочастичная система неизбежно быстро теряет память о своём начальном состоянии.

Но новая работа показывает, что отдельные шрамы могут быть частью значительно более богатой структуры. Исследователи обнаружили не просто одну необычную траекторию, а признаки целых «островов» регулярного движения, сосуществующих с хаотической областью.

Особенно интересно, что форма регулярных траекторий менялась при изменении взаимодействия между кубитами. Значит, речь идёт не о случайном техническом эффекте процессора, а о структуре, связанной с самой динамикой исследуемой системы.

Эксперимент имеет и важное практическое преимущество. Каждый цикл требует лишь короткого периода квантовой эволюции и относительно простых измерений отдельных кубитов. Современные квантовые процессоры пока плохо сохраняют сложные квантовые состояния в течение длительного времени, поэтому возможность получать информацию короткими последовательными экспериментами особенно ценна.

В этом смысле квантовый компьютер здесь выступает не столько будущей вычислительной машиной, сколько лабораторным прибором. Исследователи используют программируемый процессор для создания искусственной квантовой системы, параметры которой можно контролировать гораздо точнее, чем свойства многих природных материалов.

Такой подход постепенно меняет роль квантовых устройств. Обычно их обсуждают в контексте вычислений, криптографии или моделирования молекул. Но процессор из нескольких десятков хорошо контролируемых кубитов способен стать экспериментальной площадкой для изучения фундаментальных законов многочастичной физики.

Есть и потенциально практическое следствие. Одна из главных проблем квантовых технологий заключается в сохранении полезного квантового поведения. Если внутри сложной динамики существуют естественные устойчивые режимы, понимание их структуры может подсказать способы дольше удерживать систему в определённых состояниях.

Пока, однако, говорить о новом методе защиты квантовой информации рано. Работа прежде всего демонстрирует существование и возможность экспериментального поиска регулярных областей. Следующий вопрос — насколько универсально это явление.

Исследователи хотят выяснить, какие типы взаимодействующих квантовых систем обладают подобными островами, что определяет их размер и стабильность, как они изменяются с ростом количества кубитов и насколько тесно связаны с уже известными квантовыми шрамами.

Возможно, некоторые шрамы окажутся лишь отдельными траекториями внутри более обширных регулярных областей. Возможно, это два родственных, но принципиально разных явления. Ответ потребует совместной работы теории, численного моделирования и экспериментов на всё более крупных процессорах.

Главный результат уже заставляет изменить интуитивную картину квантового хаоса. Хаотическая система необязательно хаотична одинаково повсюду. Внутри огромного пространства её возможных состояний могут скрываться области, где движение неожиданно приобретает ритм и память.

Получается почти парадоксальная картина: чем сложнее квантовая система, тем больше оснований ожидать хаоса, но именно внутри этого хаоса могут существовать структуры, которые невозможно заметить, рассматривая только среднее поведение. Теперь квантовый процессор научился самостоятельно помогать физикам находить такие «острова». И это превращает его из объекта инженерных экспериментов в инструмент для исследования самого устройства квантового мира.