Квантовые системы могут функционировать не только при абсолютном нуле

Наиболее приемлемой для осуществления квантовых экспериментов и расчётов является температурная величина, известная как абсолютный нуль, или -273.15 °C. Она позволяет описывать квантовые системы, полагаясь на ряд фундаментальных утверждений. Частным случаем применения этой величины является квантовая адиабатическая теорема, которая гарантирует более простую динамику систем в случае плавного изменения внешних параметров.

Однако в реальности абсолютный нуль недостижим, а значит проведение экспериментов с квантовыми системами затрудняется. Именно поэтому требуется расширение теоретических методов с учётом реальных конечных температур. Важнейшим шагом в этом направлении является новое исследование российских учёных. Они смогли доказать адиабатическую теорему в условиях конечной температуры, а также установили количественные условия адиабатической динамики.

Ключевая проблема адиабатической теоремы, на которой базируются важнейшие теоретические положения и допущения — её абстрактность, связанная с температурной величиной. Дело в том, что изначально она может применяться не ко всем квантовым состояниям, но только к чистым, которые возможны при абсолютном нуле. В ходе своего исследования учёные смогли доказать адиабатическую теорему в условиях возможных в реальности конечных температур, а также применили теорему к нескольким моделям квантовых систем.

Оказалось, что для определённых систем адиабатическая динамика при конечной температуре функционирует даже более устойчиво, чем при абсолютном нуле. По словам исследователей, их работа расширит инструментарий производства квантовых технологий.

«Пожалуй, самый известный пример — адиабатический квантовый компьютер, работа которого целиком основана на адиабатической теореме. Устройство такого вида пытаются сконструировать в канадской компании D-Wave Systems Inc. Кроме того, адиабатическое приготовление состояний используется в качестве предварительного или вспомогательного шага и в других схемах квантовых вычислений, а также симуляций и измерений. Наши результаты помогут выбирать оптимальные режимы работы адиабатических протоколов с учетом конечности рабочей температуры квантовых устройств», — поясняет кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Сколковского института науки и технологий, Московского физико-технического института и Математического института имени В. А. Стеклова РАН Олег Лычковский.