Fisikawan baru saja menyaksikan flip fase kuantum dan itu lebih membungkuk dari yang diharapkan

Sistem kuantum tidak hanya transisi antar fase, mereka melakukannya dengan cara yang menentang intuisi klasik.

Eksperimen baru telah secara langsung mengamati “transisi fase disipatif” (DPTS) ini, mengungkapkan bagaimana keadaan kuantum bergeser di bawah kondisi yang dikendalikan dengan cermat. Terobosan ini dapat membuka teknik baru yang kuat untuk menstabilkan komputer dan sensor kuantum, membuatnya lebih tangguh dan tepat daripada sebelumnya.

Transisi Fase Kuantum: Perbatasan Baru

Transisi fase, seperti pembekuan air menjadi es, adalah bagian yang akrab dari kehidupan sehari -hari. Namun, dalam sistem kuantum, transisi ini bisa jauh lebih ekstrem, diatur oleh prinsip -prinsip seperti ketidakpastian Heisenberg. Selain itu, pengaruh eksternal dapat menyebabkan sistem kuantum kehilangan energi ke lingkungannya, suatu proses yang dikenal sebagai disipasi. Ketika ini terjadi, ia dapat mendorong sistem ke keadaan baru, sebuah fenomena yang dikenal sebagai “transisi fase disipatif” (DPT).

Ada berbagai jenis DPT, diklasifikasikan berdasarkan “pesanan” mereka. DPT orde pertama tiba-tiba, seperti membalik sakelar, menyebabkan sistem melompat dari satu keadaan ke keadaan lain. DPT orde kedua lebih bertahap tetapi masih signifikan, mengubah properti mendasar dari sistem, seperti simetrinya, dengan cara yang halus namun transformatif.

Mengapa DPT penting untuk teknologi kuantum

Memahami DPT sangat penting untuk mempelajari sistem kuantum yang mengoperasikan keseimbangan termal luar, di mana termodinamika klasik menawarkan sedikit wawasan. Di luar minat teoretis mereka, transisi ini memiliki aplikasi praktis dalam teknologi kuantum. DPT orde kedua, misalnya, dapat meningkatkan penyimpanan informasi kuantum, sementara DPT orde pertama memberikan wawasan tentang stabilitas dan kontrol sistem-baik untuk memajukan Komputasi kuantum dan teknologi penginderaan.

Selama bertahun -tahun, fisikawan secara teoritis memperkirakan bahwa DPT akan menunjukkan karakteristik yang berbeda, seperti bistabilitas (koeksistensi dua negara) dan perlambatan kritis (respons tertunda di dekat titik transisi), mengikuti pola matematika spesifik. Namun, secara langsung mengamati efek ini, terutama di DPT orde kedua, telah menjadi tantangan utama.

Breakthrough: Bereksperimen dengan resonator Kerr

Sekarang, percobaan terobosan telah mencapai hal itu. Sebuah tim peneliti yang dipimpin oleh Profesor Pasquale Scarlino di EPFL telah berhasil mengamati DPT menggunakan resonator Kerr superkonduktor – perangkat kuantum yang sangat merdu. Dengan memperkenalkan drive dua-foton, yang menyuntikkan pasangan foton ke dalam sistem, mereka secara tepat mengendalikan dan memantau keadaan kuantumnya, memungkinkan mereka untuk melacak bagaimana transisi antara fase.

Dengan memvariasikan secara sistematis parameter seperti detuning dan drive amplitudo, mereka dapat mempelajari transisi sistem dari satu keadaan kuantum ke keadaan lain. Pendekatan ini memungkinkan mereka untuk mengamati DPT orde pertama dan orde kedua.

Mengapa kondisi ekstrem diperlukan

Untuk memastikan ketepatanpercobaan dilakukan pada suhu dekat nol absolutmengurangi kebisingan latar belakang menjadi hampir tidak ada. Resonator Kerr sangat penting karena dapat memperkuat efek kuantum yang seringkali terlalu halus untuk diamati. Karena dapat merespons sinyal dua foton dengan sensitivitas ekstrem, para peneliti dapat menggunakannya untuk mengeksplorasi transisi fase dengan presisi yang belum pernah terjadi sebelumnya-sesuatu yang tidak dapat dicapai oleh pengaturan tradisional.

Pengaturan memungkinkan tim untuk memantau perilaku foton yang dipancarkan oleh resonator dengan detektor ultra-sensitif. Dengan menggunakan teknik matematika canggih, seperti koneksi dengan sifat spektral superoperator Liouvillian, sebuah alat yang memodelkan proses kuantum yang kompleks, para ilmuwan dapat secara tepat melacak dan menganalisis transisi fase sistem.

Temuan Kunci: Peras, Metastabilitas, dan Memperlambat

Untuk DPT orde kedua, tim mengamati sebuah fenomena yang disebut “pemerasan,” di mana fluktuasi kuantum turun ke tingkat yang lebih rendah dari kebisingan alami ruang kosong, menandakan bahwa sistem telah mencapai keadaan yang sangat sensitif dan transformatif. Sementara itu, DPT orde pertama menunjukkan siklus histeresis yang berbeda, di mana sistem dapat ada di dua negara tergantung pada bagaimana parameter disetel.

Kedua, mereka menemukan bukti yang jelas tentang keadaan metastabil selama DPT orde pertama, di mana sistem sementara tetap dalam satu keadaan stabil sebelum tiba-tiba beralih ke yang lain. Perilaku ini, yang mengarah pada ketergantungan keadaan sistem pada sejarah sebelumnya yang dikenal sebagai histeresis, menampilkan bagaimana DPT orde pertama melibatkan fase yang bersaing.

Terakhir, mereka mengamati “pelambatan kritis” pada kedua jenis transisi yang mereproduksi penskalaan yang diharapkan yang diperoleh dari pertimbangan teoretis. Ini pada akhirnya menunjukkan validitas prediksi teoritis berdasarkan teori Liouvillian yang digunakan oleh penulis. Di dekat titik -titik kritis, respons sistem melambat secara signifikan, menyoroti fitur universal dari transisi fase yang dapat dimanfaatkan untuk pengukuran kuantum yang lebih tepat.

Bagaimana ini bisa mengubah teknologi kuantum

Memahami DPTS membuka kemungkinan baru untuk rekayasa sistem kuantum yang stabil dan responsif. Ini dapat merevolusi teknologi informasi kuantum, seperti koreksi kesalahan dalam komputasi kuantum atau pengembangan sensor kuantum ultra-sensitif.

Secara lebih luas, penelitian ini menampilkan kekuatan kolaborasi interdisipliner-fisika eksperimental yang blending, model teoretis canggih, dan rekayasa mutakhir untuk menjelajahi perbatasan sains.

“Faktanya, aspek yang sangat menarik dari karya ini adalah bahwa ia juga menunjukkan seberapa dekat kolaborasi antara teori dan eksperimen dapat mengarah pada hasil yang jauh lebih besar daripada apa yang bisa dicapai oleh salah satu kelompok secara mandiri,” kata Guillaume Beaulieu, penulis pertama makalah tersebut.

Reference: “Observation of first- and second-order dissipative phase transitions in a two-photon driven Kerr resonator” by Guillaume Beaulieu, Fabrizio Minganti, Simone Frasca, Vincenzo Savona, Simone Felicetti, Roberto Di Candia and Pasquale Scarlino, 10 March 2025, Komunikasi Alam.
Doi: 10.1038/s41467-025-56830-w